Analysis of Natural and Artificial Phenomena Using Signal Processing and Fractional Calculus

In this paper we study several natural and man-made complex phenomena in the perspective of dynamical systems. For each class of phenomena, the system outputs are time-series records obtained in identical conditions. The time-series are viewed as manifestations of the system behavior and are processed for analyzing the system dynamics. First, we use the Fourier transform to process the data and we approximate the amplitude spectra by means of power law functions. We interpret the power law parameters as a phenomenological signature of the system dynamics. Second, we adopt the techniques of non-hierarchical clustering and multidimensional scaling to visualize hidden relationships between the complex phenomena. Third, we propose a vector field based analogy to interpret the patterns unveiled by the PL parameters.

Ankylosing spondylitis: genomic and functional characterization of candidate genes and their repercussion in clinical practice

RESUMO: Introdução: A espondilite anquilosante (EA) é uma doença inflamatória crónica caracterizada pela inflamação das articulações sacroilíacas e da coluna. A anquilose progressiva motiva uma deterioração gradual da função física e da qualidade de vida. O diagnóstico e o tratamento precoces podem contribuir para um melhor prognóstico. Neste contexto, a identificação de biomarcadores, assume-se como sendo muito útil para a prática clínica e representa hoje um grande desafio para a comunidade científica. Objetivos: Este estudo teve como objetivos: 1 - caracterizar a EA em Portugal; 2 - investigar possíveis associações entre genes, MHC e não-MHC, com a suscetibilidade e as características fenotípicas da EA; 3 - identificar genes candidatos associados a EA através da tecnologia de microarray. Material e Métodos: Foram recrutados doentes com EA, de acordo com os critérios modificados de Nova Iorque, nas consultas de Reumatologia dos diferentes hospitais participantes. Colecionaram-se dados demográficos, clínicos e radiológicos e colhidas amostras de sangue periférico. Selecionaram-se de forma aleatória, doentes HLA-B27 positivos, os quais foram tipados em termos de HLA classe I e II por PCR-rSSOP. Os haplótipos HLA estendidos foram estimados pelo algoritmo Expectation Maximization com recurso ao software Arlequin v3.11. As variantes alélicas dos genes IL23R, ERAP1 e ANKH foram estudadas através de ensaios de discriminação alélica TaqMan. A análise de associação foi realizada utilizando testes da Cochrane-Armitage e de regressão linear, tal como implementado pelo PLINK, para variáveis qualitativas e quantitativas, respetivamente. O estudo de expressão génica foi realizado por Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips. Os genes candidatos foram validados usando qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Resultados: Foram incluídos 369 doentes (62,3% do sexo masculino, com idade média de 45,4 ± 13,2 anos, duração média da doença de 11,4 ± 10,5 anos). No momento da avaliação, 49,9% tinham doença axial, 2,4% periférica, 40,9% mista e 7,1% entesopática. A uveíte anterior aguda (33,6%) foi a manifestação extra-articular mais comum. Foram positivos para o HLA-B27, 80,3% dos doentes. Os haplótipo A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 parece conferir suscetibilidade para a EA, e o A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 parece conferir proteção em termos de atividade, repercussão funcional e radiológica da doença. Três variantes (2 para IL23R e 1 para ERAP1) mostraram significativa associação com a doença, confirmando a associação destes genes com a EA na população Portuguesa. O mesmo não se verificou com as variantes estudadas do ANKH. Não se verificou associação entre as variantes génicas não-MHC e as manifestações clínicas da EA. Foi identificado um perfil de expressão génica para a EA, tendo sido validados catorze genes - alguns têm um papel bem documentado em termos de inflamação, outros no metabolismo da cartilagem e do osso. Conclusões: Foi estabelecido um perfil demográfico e clínico dos doentes com EA em Portugal. A identificação de variantes génicas e de um perfil de expressão contribuem para uma melhor compreensão da sua fisiopatologia e podem ser úteis para estabelecer modelos com relevância em termos de diagnóstico, prognóstico e orientação terapêutica dos doentes. -----------ABSTRACT: Background: Ankylosing Spondylitis (AS) is a chronic inflammatory disorder characterized by inflammation in the spine and sacroiliac joints leading to progressive joint ankylosis and in progressive deterioration of physical function and quality of life. An early diagnosis and early therapy may contribute to a better prognosis. The identification of biomarkers would be helpful and represents a great challenge for the scientific community. Objectives: The present study had the following aims: 1- to characterize the pattern of AS in Portuguese patients; 2- to investigate MHC and non-MHC gene associations with susceptibility and phenotypic features of AS and; 3- to identify candidate genes associated with AS by means of whole-genome microarray. Material and Methods: AS was defined in accordance to the modified New York criteria and AS cases were recruited from hospital outcares patient clinics. Demographic and clinical data were recorded and blood samples collected. A random group of HLA-B27 positive patients and controls were selected and typed for HLA class I and II by PCR-rSSOP. The extended HLA haplotypes were estimated by Expectation Maximization Algorithm using Arlequin v3.11 software. Genotyping of IL23R, ERAP1 and ANKH allelic variants was carried out with TaqMan allelic discrimination assays. Association analysis was performed using the Cochrane-Armitage and linear regression tests as implemented in PLINK, for dichotomous and quantitative variables, respectively. Gene expression profile was carried out using Illumina HT-12 Whole-Genome Expression BeadChips and candidate genes were validated using qPCR-based TaqMan Low Density Arrays (TLDAs). Results: A total of 369 patients (62.3% male; mean age 45.4±13.2 years; mean disease duration 11.4±10.5 years), were included. Regarding clinical disease pattern, at the time of assessment, 49.9% had axial disease, 2.4% peripheral disease, 40.9% mixed disease and 7.1% isolated enthesopathic disease. Acute anterior uveitis (33.6%) was the most common extra-articular manifestation. 80.3% of AS patients were HLA-B27 positive. The haplotype A*02/B*27/Cw*02/DRB1*01/DQB1*05 seems to confer susceptibility to AS, whereas A*02/B*27/Cw*01/DRB1*08/DQB1*04 seems to provide protection in terms of disease activity, functional and radiological repercussion. Three markers (two for IL23R and one for ERAP1) showed significant single-locus disease associations. Association of these genes with AS in the Portuguese population was confirmed, whereas ANKH markers studied did not show an association with AS. No association was seen between non-MHC genes and clinical manifestations of AS. A gene expression signature for AS was established; among the fourteen validated genes, a number of them have a well-documented inflammatory role or in modulation of cartilage and bone metabolism. Conclusions: A demographic and clinical profile of patients with AS in Portugal was established. Identification of genetic variants of target genes as well as gene expression signatures could provide a better understanding of AS pathophysiology and could be useful to establish models with relevance in terms of susceptibility, prognosis, and potential therapeutic guidance.

Focus on: II – physiological principles of acid-base balance: an integrative perspective

Normal human metabolism leads to the daily production of large amounts of volatile and non-volatile acids. The maintenance of the pH within physiological limits is a demanding task in which several mechanisms are involved. The most immediate answer comes from several physiological buffers that quickly neutralize pH deviations caused by the addition of strong acids or bases to the body. Bicarbonate/carbonic acid is the most important buffer pair of the extracellular milieu, but is chemically inefficient and depends on the continuous activity of the lung and kidney. Other physiological buffers have higher efficacy and are very important in the intracellular environment and renal tubules. The capacity of the various chemical buffers is kept by operating in an open system and by several controlling mechanisms. The lung is responsible for the elimination of the carbon dioxide (CO2) produced in the body. In metabolic disorders, respiratory adjustment of the elimination of CO2 prolongs the effect of the bicarbonate/carbonic acid buffer, but this process consumes bicarbonate. The kidney contributes to acid-base balance through several mechanisms: 1) controls the reabsorption of filtered bicarbonate; 2) regenerates bicarbonate consumed in buffer reactions; 3) eliminates non-volatile acids. Renal elimination of acid and bicarbonate regeneration is only possible due to the existence of several urinary buffers and to the ability of the kidneys to produce ammonia

Mecanismos de inflamação brônquica resultantes da exposição a factores ambientais

RESUMO Tratando-se a asma de uma doença respiratória, desde há várias décadas que tem sido abordada a hipótese de que factores ambientais, nomeadamente os relacionados com a qualidade do ar inalado, possam contribuir para o seu agravamento. Para além dos aeroalergenos, outros factores ambientais como a poluição atmosférica estarão associados às doenças respiratórias. O ar respirado contém uma variedade de poluentes atmosféricos, provenientes quer de fontes naturais quer de origem antropogénica, nomeadamente de actividades industriais, domésticas ou das emissões de veículos. Estes poluentes, tradicionalmente considerados como um problema de foro ambiental, têm sido cada vez mais encarados como um problema de saúde pública. Também a qualidade do ar interior, tem sido associada a queixas respiratórias, não só em termos ocupacionais mas também em exposições domésticas. Dentro dos principais poluentes, encontramos a matéria particulada (como as PM10), o O3, NO2, e os compostos orgânicos voláteis (COVs). Se é verdade que os três primeiros têm como principais fontes de exposição a combustão fóssil associada aos veículos automóveis, já os COVs (como o benzeno, tolueno, xileno, etilbenzeno e formaldeído) são poluentes mais característicos do ar interior. Os mecanismos fisiopatológicos subjacentes à agressão dos poluentes do ar não se encontram convenientemente esclarecidos. Pensa-se que após a sua inalação, induzam um grau crescente de stress oxidativo que será responsável pelo desenvolvimento da inflamação das vias aéreas. A progressão do stress oxidativo e da inflamação, associarse- ão posteriormente a lesão local (pulmonar) e sistémica. Neste trabalho pretendeu-se avaliar os efeitos da exposição individual a diversos poluentes, do ar exterior e interior, sobre as vias aéreas, recorrendo a parâmetros funcionais, inflamatórios e do estudo do stress oxidativo. Neste sentido, desenvolveu-se um estudo de painel na cidade de Viseu, em que foram acompanhadas durante 18 meses, 51 crianças com história de sibilância, identificadas pelo questionário do estudo ISAAC. As crianças foram avaliadas em quatro Visitas (quatro medidas repetidas), através de diversos exames, que incluíram execução de espirometria com broncodilatação, medição ambulatória do PEF, medição de FENO e estudo do pH no condensado brônquico do ar exalado. O estudo dos 8-isoprostanos no condensado brônquico foi efectuado somente em duas Visitas, e o do doseamento de malonaldeído urinário somente na última Visita. Para além da avaliação do grau de infestação de ácaros do pó do colchão, para cada criança foi calculado o valor de exposição individual a PM10, O3, NO2, benzeno, tolueno, xileno, etilbenzeno e formaldeído, através de uma complexa metodologia que envolveu técnicas de modelação associadas a medições directas do ar interior (na casa e escola da criança) e do ar exterior. Para a análise de dados foram utilizadas equações de estimação generalizadas com uma matriz de correlação de trabalho uniforme, com excepção do estudo das associações entre poluentes, 8-isoprostanos e malonaldeído. Verificou-se na análise multivariável a existência de uma associação entre o agravamento dos parâmetros espirométricos e a exposição aumentada a PM10, NO2, benzeno, tolueno e etilbenzeno. Foram também encontradas associações entre diminuição do pH do EBC e exposição crescente a PM10, NO2, benzeno e etilbenzeno e associações entre valores aumentados de FENO e exposição a etilbenzeno e tolueno. O benzeno, o tolueno e o etilbenzeno foram associados com maior recurso a broncodilatador nos 6 meses anteriores à Visita e o tolueno com deslocações ao serviço de urgência. Os resultados dos modelos de regressão que incluíram o efeito do poluente ajustado para o grau de infestação de ácaros do pó foram, de uma forma geral, idênticos ao da análise multivariável anterior, com excepção das associações para com o FENO. Nos modelos de exposição com dois poluentes, com o FEV1 como variável resposta, somente o benzeno persistiu com significado estatístico. No modelo com dois poluentes tendo o pH do EBC como variável resposta, somente persistiram as PM10. Os 8-isoprostanos correlacionaram-se com alguns COVs, designadamente etilbenzeno, xileno, tolueno e benzeno. Os valores de malonaldeído urinário não se correlacionaram com os valores de poluentes. Verificou-se no entanto que de uma forma geral, e em particular mais uma vez para os COVs, as crianças mais expostas a poluentes, apresentaram valores superiores de malonaldeído na urina. Verificou-se que os poluentes do ar em geral, e os COVs em particular, se associaram com uma deterioração das vias aéreas. A exposição crescente a poluentes associou-se não só com obstrução brônquica, mas também com FENO aumentado e maior acidez das vias aéreas. A exposição crescente a COVs correlacionou-se com um maior stress oxidativo das vias aéreas (medido pelos 8-isoprostanos). As crianças com exposição superior a COVs apresentaram maiores valores de malonaldeído urinário. Este trabalho sugere uma associação entre exposição a poluentes, inflamação das vias aéreas e stress oxidativo. Vem reforçar o interesse dos poluentes do ar, nomeadamente os associados a ambientes interiores, frequentemente esquecidos e que poderão ser explicativos do agravamento duma criança com sibilância.-----------ABSTRACT: Asthma is a chronic respiratory disease that could be influenced by environmental factors, as allergens and air pollutants. The air breathed contains a diversity of air pollutants, both from natural or anthropogenic sources. Atmospheric pollution, traditionally considered an environmental problem, is nowadays looked as an important public health problem. Indoor air pollutants are also related with respiratory diseases, not only in terms of occupational exposures but also in domestic activities. Particulate matter (such as PM10), O3, NO2 and volatile organic compounds (VOCs) are the main air pollutants. The main source for PM10, O3, NO2 exposure is traffic exhaust while for VOCs (such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene and phormaldehyde) the main sources for exposure are located in indoor environments. The pathophysiologic mechanisms underlying the aggression of air pollutants are not properly understood. It is thought that after inhalation, air pollutants could induce oxidative stress, which would be responsible for airways inflammation. The progression of oxidative stress and airways inflammation, would contribute for the local and systemic effects of the air pollutants. The present study aimed to evaluate the effects of individual exposure to various pollutants over the airways, through lung function tests, inflammatory and oxidative stress biomarkers. In this sense, we developed a panel study in the city of Viseu, that included 51 children with a history of wheezing. Those children that were identified by the ISAAC questionnaire, were followed for 18 months. Children were assessed four times (four repeated measures) through the following tests: spirometry with bronchodilation test, PEF study, FENO evaluation and exhaled breath condensate pH measurement. 8-isoprostane in the exhaled breath condensate were also measured but only in two visits. Urinary malonaldehyde measurement was performed only in the last visit. Besides the assessment of the house dust mite infestation, we calculated for each child the value of individual exposure to a wide range of pollutants: PM10, O3, NO2, benzene, toluene, xylene, ethyl benzene and formaldehyde. This strategy used a complex methodology that included air pollution modelling techniques and direct measurements indoors (homes and schools) and outdoors. Generalized estimating equations with an exchangeable working correlation matrix were used for the analysis of the data. Exceptions were for the study of associations between air pollutants, malonaldehyde and 8-isoprostanes. In the multivariate analysis we found an association between worsening of spirometric outcomes and increased exposure to PM10, NO2, benzene, toluene and ethylbenzene. In the multivariate analysis we found also negative associations between EBC pH and exposure to PM10, NO2, benzene, ethylbenzene and positive associations between FENO and exposure to ethylbenzene and toluene. Benzene, toluene and ethylbenzene were associated with increased use of bronchodilator in the 6 months prior to the visit and toluene with emergency department visits. Results of the regression models that included also the effect of the pollutant adjusted for the degree of infestation to house dust mites, were identical to the previous models. Exceptions were for FENO associations. In the two-pollutant models, with the FEV1 as dependent variable, only benzene persisted with statistical significance. In the two pollutant model with pH of EBC as dependent variable, only PM10 persisted. 8-isoprostanes were well correlated with some VOCs, namely with ethylbenzene, xylene, toluene and benzene. Urinary malonaldehyde did not present any correlation with air pollutants exposure. However, those children more exposed to air pollutants (namely to VOCs), presented higher values of malonaldehyde. It was found that air pollutants in general, and namely VOCs, were associated with deterioration of the airways. The increased exposure to air pollutants was associated not only with airways obstruction, but also with increased FENO and higher acidity of the airways. The increased exposure to VOCs was correlated with increased airways oxidative stress (measured by 8-isoprostane). Children with higher levels of exposure to VOCs had higher values of urinary malonaldehyde. This study suggests a relation between air pollution, airways inflammation and oxidative stress. It suggests also that attention should be dedicated to air quality as air pollutants could cause airways deterioration.

Gestão de solventes nas atividades de revestimento e formulação de tintas

O presente trabalho teve como objetivo a realização de um plano de gestão de solventes e sua análise para propor melhorias no cumprimento dos valores legalmente impostos. Foram realizados dois planos distintos, um referente à indústria de revestimento e outro à indústria de formulação de tintas. As abordagens na realização e análise de resolução de problemas são distintas, uma vez que os limites legais são diferentes em ambos os casos. Os componentes que apresentam uma maior expressão face ao plano de gestão de solventes são os compostos orgânicos voláteis (COVs), e é a partir destes componentes que se efetuou toda a análise. Inicialmente foi necessário conhecer todo o funcionamento de cada empresa, os procedimentos adotados, a utilização dos produtos e as técnicas operacionais. Determinaram-se os pontos críticos na avaliação dos problemas que se verificaram nos planos de gestão de solventes e analisaram-se as possibilidades técnicas e tecnológicas passiveis de utilização para a resolução ou minimização desses problemas principalmente na empresa A que excede o limite legalmente imposto. As possibilidades centram-se a nível tecnológico de equipamentos e em produtos utilizados em ambos os casos.

Revealing fungal activity in the presence of ionic liquids

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Environment and Health in Children Day Care Centres (ENVIRH) - Study Rationale and Protocol

Background: Indoor air quality (IAQ) is considered an important determinant of human health. The association between exposure to volatile organic compounds, particulate matter, house dust mite, molds and bacteria in day care centers (DCC) is not completely clear. The aim of this project was to study these effects. Methods --- study design: This study comprised two phases. Phase I included an evaluation of 45 DCCs (25 from Lisbon and 20 from Oporto, targeting 5161 children). In this phase, building characteristics, indoor CO2 and air temperature/relative humidity, were assessed. A children’s respiratory health questionnaire derived from the ISAAC (International Study on Asthma and Allergies in Children) was also distributed. Phase II encompassed two evaluations and included 20 DCCs selected from phase I after a cluster analysis (11 from Lisbon and 9 from Oporto, targeting 2287 children). In this phase, data on ventilation, IAQ, thermal comfort parameters, respiratory and allergic health, airway inflammation biomarkers, respiratory virus infection patterns and parental and child stress were collected. Results: In Phase I, building characteristics, occupant behavior and ventilation surrogates were collected from all DCCs. The response rate of the questionnaire was 61.7% (3186 children). Phase II included 1221 children. Association results between DCC characteristics, IAQ and health outcomes will be provided in order to support recommendations on IAQ and children’s health. A building ventilation model will also be developed. Discussion: This paper outlines methods that might be implemented by other investigators conducting studies on the association between respiratory health and indoor air quality at DCC.

Sistema de detecção de fogo e detecção e seguimento de objectos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

The hidden value behind capital structure decisions

A Work Project, presented as part of the requirements for the Award of a Masters Degree in Finance from the NOVA – School of Business and Economics

A multiagent based shop floor transportation system simulator

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Acidogenic digestion of effluents of the cheese industry in packed bed biofilm reactors

Dissertation for the Master degree in Biotechnology

An ANP model to support decision-making in a Portuguese pharmaceutical supply chain

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia e Gestão Industrial

Influence of abiotic stress factors on VOCs emission from Portuguese rice paddy fields: relation with increased climate change

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente Perfil de Gestão de Sistemas Ambientais

Investigation of the regulation mechanisms for bioplastics production from industrial residues

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Development of ion jelly thin films for electrochemical devices

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável