Local thermodynamics and the generalized Gibbs-Duhem equation in systems with long-range interactions

The local thermodynamics of a system with long-range interactions in d dimensions is studied using the mean-field approximation. Long-range interactions are introduced through pair interaction potentials that decay as a power law in the interparticle distance. We compute the local entropy, Helmholtz free energy, and grand potential per particle in the microcanonical, canonical, and grand canonical ensembles, respectively. From the local entropy per particle we obtain the local equation of state of the system by using the condition of local thermodynamic equilibrium. This local equation of state has the form of the ideal gas equation of state, but with the density depending on the potential characterizing long-range interactions. By volume integration of the relation between the different thermodynamic potentials at the local level, we find the corresponding equation satisfied by the potentials at the global level. It is shown that the potential energy enters as a thermodynamic variable that modifies the global thermodynamic potentials. As a result, we find a generalized Gibbs-Duhem equation that relates the potential energy to the temperature, pressure, and chemical potential. For the marginal case where the power of the decaying interaction potential is equal to the dimension of the space, the usual Gibbs-Duhem equation is recovered. As examples of the application of this equation, we consider spatially uniform interaction potentials and the self-gravitating gas. We also point out a close relationship with the thermodynamics of small systems.

Interplay between surface anisotropy and dipolar interactions in an assembly of nanomagnets

We study the interplay between the effects of surface anisotropy and dipolar interactions in monodisperse assemblies of nanomagnets with oriented anisotropy. We derive asymptotic formulas for the assembly magnetization, taking into account temperature, applied field, core and surface anisotropy, and dipolar interparticle interactions. We find that the interplay between surface anisotropy and dipolar interactions is well described by the analytical expression of the assembly magnetization derived here: the overall sign of the product of the two parameters governing the surface and the dipolar contributions determines whether intrinsic and collective terms compete or have synergistic effects on the magnetization. This is illustrated by the magnetization curves of γ-Fe2O3 nanoparticle assemblies in the low concentration limit.

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

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

BS-SEM evaluation of the tisular interactions between cortical bone and calcium-phosphate covered titanium implants

The improvement of the reliability of the contact between the osseous tissues and the implant materials has been tested by recovering the metallic implants with ceramic materials, usually calcium phosphates. In our study, the calcium phosphate recovering layers were deposited by means of a pulsed-laser deposition technique. Our aim was to to evaluate the tissue interactions established between cortical bone and titanium implants covered by five different layers, ranging from amorphous calcium phosphate to crystalline hydroxyapatite, obtained by altering the parameters of the laser ablation process. The surgical protocol of the study consisted in the simultaneous implantation of the five types of implants in both the tibial dyaphisis of three Beagle dogs, sacrificed respectively one, two and three months after the last surgical procedures. After the sacrifice, the samples were submitted to a scheduled procedure of embedding in plastic polymers without prior decalcification, in order to perform the ultrastructural studies: scanning microscopy with secondary and backscattered electrons (BS-SEM). Our observations show that both in terms of the calcified tissues appearing as a response to the presence of the different coatings and of time of recovering, the implants coated with crystalline calcium phosphate layers by laser ablation present a better result than the amorphous-calcium-phosphate-coated implants. Moreover, the constant presence of chondroid tissue, related with the mechanical induction by forces applied on the recovering area, strongly suggests that the mechanisms implied in osteointegration are related to endomembranous, rather than endochondral ossification processes

BS-SEM evaluation of the tisular interactions between cortical bone and calcium-phosphate covered titanium implants

The improvement of the reliability of the contact between the osseous tissues and the implant materials has been tested by recovering the metallic implants with ceramic materials, usually calcium phosphates. In our study, the calcium phosphate recovering layers were deposited by means of a pulsed-laser deposition technique. Our aim was to to evaluate the tissue interactions established between cortical bone and titanium implants covered by five different layers, ranging from amorphous calcium phosphate to crystalline hydroxyapatite, obtained by altering the parameters of the laser ablation process. The surgical protocol of the study consisted in the simultaneous implantation of the five types of implants in both the tibial dyaphisis of three Beagle dogs, sacrificed respectively one, two and three months after the last surgical procedures. After the sacrifice, the samples were submitted to a scheduled procedure of embedding in plastic polymers without prior decalcification, in order to perform the ultrastructural studies: scanning microscopy with secondary and backscattered electrons (BS-SEM). Our observations show that both in terms of the calcified tissues appearing as a response to the presence of the different coatings and of time of recovering, the implants coated with crystalline calcium phosphate layers by laser ablation present a better result than the amorphous-calcium-phosphate-coated implants. Moreover, the constant presence of chondroid tissue, related with the mechanical induction by forces applied on the recovering area, strongly suggests that the mechanisms implied in osteointegration are related to endomembranous, rather than endochondral ossification processes

Protein homology reveals new targets for bioactive small molecules.

MOTIVATION: The functional impact of small molecules is increasingly being assessed in different eukaryotic species through large-scale phenotypic screening initiatives. Identifying the targets of these molecules is crucial to mechanistically understand their function and uncover new therapeutically relevant modes of action. However, despite extensive work carried out in model organisms and human, it is still unclear to what extent one can use information obtained in one species to make predictions in other species. RESULTS: Here, for the first time, we explore and validate at a large scale the use of protein homology relationships to predict the targets of small molecules across different species. Our results show that exploiting target homology can significantly improve the predictions, especially for molecules experimentally tested in other species. Interestingly, when considering separately orthology and paralogy relationships, we observe that mapping small molecule interactions among orthologs improves prediction accuracy, while including paralogs does not improve and even sometimes worsens the prediction accuracy. Overall, our results provide a novel approach to integrate chemical screening results across multiple species and highlight the promises and remaining challenges of using protein homology for small molecule target identification. AVAILABILITY AND IMPLEMENTATION: Homology-based predictions can be tested on our website http://www.swisstargetprediction.ch. CONTACT: david.gfeller@unil.ch or vincent.zoete@isb-sib.ch. SUPPLEMENTARY INFORMATION: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Online brands: Branding, possible worlds, and interactive grammars

This paper proposes to reflect from a semiotic perspective on the transformation that brands have undergone since the rise of the Internet. After a brief theoretical introduction to digital communication and the semiotics of brands, the case of the Google brand is analyzed by applying concepts of generative and interpretive semiotics. The paper holds that the iconic and linguistic enunciations are secondary with respect to interaction. In digital media interaction — the interactive experience that the Internet user lives — is a fundamental component of the hypermedia cocktail and occupies a central position in the brand building process. The article concludes with some of the questions and special characteristics raised by so-called eBranding.

Biotic interactions boost spatial models of species richness

Biotic interactions are known to affect the composition of species assemblages via several mechanisms, such as competition and facilitation. However, most spatial models of species richness do not explicitly consider inter-specific interactions. Here, we test whether incorporating biotic interactions into high-resolution models alters predictions of species richness as hypothesised. We included key biotic variables (cover of three dominant arctic-alpine plant species) into two methodologically divergent species richness modelling frameworks - stacked species distribution models (SSDM) and macroecological models (MEM) - for three ecologically and evolutionary distinct taxonomic groups (vascular plants, bryophytes and lichens). Predictions from models including biotic interactions were compared to the predictions of models based on climatic and abiotic data only. Including plant-plant interactions consistently and significantly lowered bias in species richness predictions and increased predictive power for independent evaluation data when compared to the conventional climatic and abiotic data based models. Improvements in predictions were constant irrespective of the modelling framework or taxonomic group used. The global biodiversity crisis necessitates accurate predictions of how changes in biotic and abiotic conditions will potentially affect species richness patterns. Here, we demonstrate that models of the spatial distribution of species richness can be improved by incorporating biotic interactions, and thus that these key predictor factors must be accounted for in biodiversity forecasts

Online drawings for dementia diagnose: in-air and pressure information analysis

In this paper we present experimental results comparing on-line drawings for control population (left and right hand) as well as Alzheimer disease patients. The drawings have been acquired by means of a digitizing tablet, which acquires time information angles and pressures. Experimental measures based on pressure and in-air movements appear to be significantly different for both groups, even when control population performs the tasks with the non-dominant hand.

Do the interactions between glucocorticoids and sex hormones regulate the development of the metabolic syndrome?

The metabolic syndrome is basically a maturity-onset disease. Typically, its manifestations begin to flourish years after the initial dietary or environmental aggression began. Since most hormonal, metabolic, or defense responses are practically immediate, the procrastinated response do not seem justified. Only in childhood, the damages of the metabolic syndrome appear with minimal delay. Sex affects the incidence of the metabolic syndrome, but this is more an effect of timing than absolute gender differences, females holding better than males up to menopause, when the differences between sexes tend to disappear. The metabolic syndrome is related to an immune response, countered by a permanent increase in glucocorticoids, which keep the immune system at bay but also induce insulin resistance, alter the lipid metabolism, favor fat deposition, mobilize protein, and decrease androgen synthesis. Androgens limit the operation of glucocorticoids, which is also partly blocked by estrogens, since they decrease inflammation (which enhances glucocorticoid release). These facts suggest that the appearance of the metabolic syndrome symptoms depends on the strength (i.e., levels) of androgens and estrogens. The predominance of glucocorticoids and the full manifestation of the syndrome in men are favored by decreased androgen activity. Low androgens can be found in infancy, maturity, advanced age, or because of their inhibition by glucocorticoids (inflammation, stress, medical treatment). Estrogens decrease inflammation and reduce the glucocorticoid response. Low estrogen (infancy, menopause) again allow the predominance of glucocorticoids and the manifestation of the metabolic syndrome. It is postulated that the equilibrium between sex hormones and glucocorticoids may be a critical element in the timing of the manifestation of metabolic syndrome-related pathologies.