Departure of high temperature iron lines from the equilibrium state in flaring solar plasmas

The aim of this study is to clarify if the assumption of ionization equilibrium and a Maxwellian electron energy distribution is valid in flaring solar plasmas. We analyze the 2014 December 20 X1.8 flare, in which the \ion{Fe}{xxi} 187~\AA, \ion{Fe}{xxii} 253~\AA, \ion{Fe}{xxiii} 263~\AA\ and \ion{Fe}{xxiv} 255~\AA\ emission lines were simultaneously observed by the EUV Imaging Spectrometer onboard the Hinode satellite. Intensity ratios among these high temperature Fe lines are compared and departures from isothermal conditions and ionization equilibrium examined. Temperatures derived from intensity ratios involving these four lines show significant discrepancies at the flare footpoints in the impulsive phase, and at the looptop in the gradual phase. Among these, the temperature derived from the \ion{Fe}{xxii}/\ion{Fe}{xxiv} intensity ratio is the lowest, which cannot be explained if we assume a Maxwellian electron distribution and ionization equilibrium, even in the case of a multi-thermal structure. This result suggests that the assumption of ionization equilibrium and/or a Maxwellian electron energy distribution can be violated in evaporating solar plasma around 10MK.

The Status of Multi-Dimensional Core-Collapse Supernova Models

Models of neutrino-driven core-collapse supernova explosions have matured considerably in recent years. Explosions of low-mass progenitors can routinely be simulated in 1D, 2D, and 3D. Nucleosynthesis calculations indicate that these supernovae could be contributors of some lighter neutron-rich elements beyond iron. The explosion mechanism of more massive stars remains under investigation, although first 3D models of neutrino-driven explosions employing multi-group neutrino transport have become available. Together with earlier 2D models and more simplified 3D simulations, these have elucidated the interplay between neutrino heating and hydrodynamic instabilities in the post-shock region that is essential for shock revival. However, some physical ingredients may still need to be added/improved before simulations can robustly explain supernova explosions over a wide range of progenitors. Solutions recently suggested in the literature include uncertainties in the neutrino rates, rotation, and seed perturbations from convective shell burning. We review the implications of 3D simulations of shell burning in supernova progenitors for the ‘perturbations-aided neutrino-driven mechanism,’ whose efficacy is illustrated by the first successful multi-group neutrino hydrodynamics simulation of an 18 solar mass progenitor with 3D initial conditions. We conclude with speculations about the impact of 3D effects on the structure of massive stars through convective boundary mixing.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

Dual stimulation of antigen presenting cells using carbon nanotube-based vaccine delivery system for cancer immunotherapy

Although anti−cancer immuno−based combinatorial therapeutic approaches have shown promising results, efficient tumour eradication demands further intensification of anti−tumour immune response. With the emerging field of nanovaccinology, multi−walled carbon nanotubes (MWNTs) have manifested prominent potentials as tumour antigen nanocarriers. Nevertheless, the utilization of MWNTs in co−delivering antigen along with different types of immunoadjuvants to antigen presenting cells (APCs) has not been investigated yet. We hypothesized that harnessing MWNT for concurrent delivery of cytosine−phosphate−guanine oligodeoxynucleotide (CpG) and anti-CD40 Ig (αCD40), as immunoadjuvants, along with the model antigen ovalbumin (OVA) could potentiate immune response induced against OVA−expressing tumour cells. We initially investigated the effective method to co−deliver OVA and CpG using MWNT to the APC. Covalent conjugation of OVA and CpG prior to loading onto MWNTs markedly augmented the CpG−mediated adjuvanticity, as demonstrated by the significantly increased OVA−specific T cell responses in vitro and in C57BL/6 mice. αCD40 was then included as a second immunoadjuvant to further intensify the immune response. Immune response elicited in vitro and in vivo by OVA, CpG and αCD40 was significantly potentiated by their co−incorporation onto the MWNTs. Furthermore, MWNT remarkably improved the ability of co−loaded OVA, CpG and αCD40 in inhibiting the growth of OVA−expressing B16F10 melanoma cells in subcutaneous or lung pseudo−metastatic tumour models. Therefore, this study suggests that the utilization of MWNTs for the co−delivery of tumour−derived antigen, CpG and αCD40 could be a competent approach for efficient tumours eradication.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Image-Guided Precision Manipulation of Cells and Nanoparticles in Microfluidics

Manipulation of single cells and particles is important to biology and nanotechnology. Our electrokinetic (EK) tweezers manipulate objects in simple microfluidic devices using gentle fluid and electric forces under vision-based feedback control. In this dissertation, I detail a user-friendly implementation of EK tweezers that allows users to select, position, and assemble cells and nanoparticles. This EK system was used to measure attachment forces between living breast cancer cells, trap single quantum dots with 45 nm accuracy, build nanophotonic circuits, and scan optical properties of nanowires. With a novel multi-layer microfluidic device, EK was also used to guide single microspheres along complex 3D trajectories. The schemes, software, and methods developed here can be used in many settings to precisely manipulate most visible objects, assemble objects into useful structures, and improve the function of lab-on-a-chip microfluidic systems.

Concentrating solar power + desalination plants (CSP+D): models and performance analysis

Tese submetida à Universidade de Lisboa, Instituto Superior Técnico e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Sistemas Sustentáveis de Energia.

Analysis and modelling of immune cell behaviour in lymph nodes based on multi-photon imaging

This thesis presents quantitative studies of T cell and dendritic cell (DC) behaviour in mouse lymph nodes (LNs) in the naive state and following immunisation. These processes are of importance and interest in basic immunology, and better understanding could improve both diagnostic capacity and therapeutic manipulations, potentially helping in producing more effective vaccines or developing treatments for autoimmune diseases. The problem is also interesting conceptually as it is relevant to other fields where 3D movement of objects is tracked with a discrete scanning interval. A general immunology introduction is presented in chapter 1. In chapter 2, I apply quantitative methods to multi-photon imaging data to measure how T cells and DCs are spatially arranged in LNs. This has been previously studied to describe differences between the naive and immunised state and as an indicator of the magnitude of the immune response in LNs, but previous analyses have been generally descriptive. The quantitative analysis shows that some of the previous conclusions may have been premature. In chapter 3, I use Bayesian state-space models to test some hypotheses about the mode of T cell search for DCs. A two-state mode of movement where T cells can be classified as either interacting to a DC or freely migrating is supported over a model where T cells would home in on DCs at distance through for example the action of chemokines. In chapter 4, I study whether T cell migration is linked to the geometric structure of the fibroblast reticular network (FRC). I find support for the hypothesis that the movement is constrained to the fibroblast reticular cell (FRC) network over an alternative 'random walk with persistence time' model where cells would move randomly, with a short-term persistence driven by a hypothetical T cell intrinsic 'clock'. I also present unexpected results on the FRC network geometry. Finally, a quantitative method is presented for addressing some measurement biases inherent to multi-photon imaging. In all three chapters, novel findings are made, and the methods developed have the potential for further use to address important problems in the field. In chapter 5, I present a summary and synthesis of results from chapters 3-4 and a more speculative discussion of these results and potential future directions.

Characterization of in vitro effects of patulin on intestinal epithelial and immune cells

The intestinal mucosa is the first biological barrier encountered by natural toxins, and could possibly be exposed to high amounts of dietary mycotoxins. Patulin (PAT), a mycotoxin produced by Penicillium spp. during fruit spoilage, is one of the best known enteropathogenic mycotoxins able to alter functions of the intestine (Maresca et al., 2008). This study evaluated the effects of PAT on barrier function of the gut mucosa utilizing the intestinal epithelial cell model Caco-2, and scrutinized immunomodulatory effects using human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and human blood monocyte-derived dendritic cells (moDCs) as test systems. PAT exposure reduced Caco-2 cell viability at concentrations above 12 mM. As expected, the integrity of a polarized Caco-2 monolayer was affected by PAT exposure, as demonstrated by a decrease in TER values, becoming more pronounced at 50 mM. No effects were detected on the expression levels of the tight junction proteins occludin, claudin-1 and claudin-3 at 50 mM. However, the expression of zonula occludens-1 (ZO-1) and myosin light chain 2 (MLC2) declined. Also, levels of phospho-MLC2 (p-MLC2) increased after 24 h of exposure to 50 mM of PAT. T cell proliferation was highly sensitive to PAT with major effects for concentrations above 10 nM of PAT. The same conditions did not affect the maturation of moDC. PAT causes a reduction in Caco-2 barrier function mainly by perturbation of ZO-1 levels and the phosphorylation of MLC. Low doses of PAT strongly inhibited T cell proliferation induced by a polyclonal activator, but had no effect on the maturation of moDC. These results provide new information that strengthens the concept that the epithelium and immune cells of the intestinal mucosa are important targets for the toxic effects of food contaminants like mycotoxins

Dendritic Cells for SYN Scan Detection

Artificial immune systems have previously been applied to the problem of intrusion detection. The aim of this research is to develop an intrusion detection system based on the function of Dendritic Cells (DCs). DCs are antigen presenting cells and key to the activation of the human immune system, behaviour which has been abstracted to form the Dendritic Cell Algorithm (DCA). In algorithmic terms, individual DCs perform multi-sensor data fusion, asynchronously correlating the fused data signals with a secondary data stream. Aggregate output of a population of cells is analysed and forms the basis of an anomaly detection system. In this paper the DCA is applied to the detection of outgoing port scans using TCP SYN packets. Results show that detection can be achieved with the DCA, yet some false positives can be encountered when simultaneously scanning and using other network services. Suggestions are made for using adaptive signals to alleviate this uncovered problem.

Dendritic Cells for Anomaly Detection

Artificial immune systems, more specifically the negative selection algorithm, have previously been applied to intrusion detection. The aim of this research is to develop an intrusion detection system based on a novel concept in immunology, the Danger Theory. Dendritic Cells (DCs) are antigen presenting cells and key to the activation of the human immune system. DCs perform the vital role of combining signals from the host tissue and correlate these signals with proteins known as antigens. In algorithmic terms, individual DCs perform multi-sensor data fusion based on time-windows. The whole population of DCs asynchronously correlates the fused signals with a secondary data stream. The behaviour of human DCs is abstracted to form the DC Algorithm (DCA), which is implemented using an immune inspired framework, libtissue. This system is used to detect context switching for a basic machine learning dataset and to detect outgoing portscans in real-time. Experimental results show a significant difference between an outgoing portscan and normal traffic.

Regulation of Glucose uptake in mammalian cells by phosphorylation networks

Objectives: Characterize the role of protein kinase WNK1 in the phosphorylation network regulating cellular glucose uptake