Applying scanning electron microscopy for the ultrastructural and clinical analysis of periprosthetic capsules in implant-based breast reconstruction

La reconstruction en deux étapes par expanseur et implant est la technique la plus répandue pour la reconstruction mammmaire post mastectomie. La formation d’une capsule périprothétique est une réponse physiologique universelle à tout corps étranger présent dans le corps humain; par contre, la formation d’une capsule pathologique mène souvent à des complications et par conséquent à des résultats esthétiques sous-optimaux. Le microscope électronique à balayage (MEB) est un outil puissant qui permet d’effectuer une évaluation sans pareille de la topographie ultrastructurelle de spécimens. Le premier objectif de cette thèse est de comparer le MEB conventionnel (Hi-Vac) à une technologie plus récente, soit le MEB environnemental (ESEM), afin de déterminer si cette dernière mène à une évaluation supérieure des tissus capsulaires du sein. Le deuxième objectif est d‘appliquer la modalité de MEB supérieure et d’étudier les modifications ultrastructurelles des capsules périprothétiques chez les femmes subissant différents protocoles d’expansion de tissus dans le contexte de reconstruction mammaire prothétique. Deux études prospectives ont été réalisées afin de répondre à nos objectifs de recherche. Dix patientes ont été incluses dans la première, et 48 dans la seconde. La modalité Hi-Vac s’est avérée supérieure pour l’analyse compréhensive de tissus capsulaires mammaires. En employant le mode Hi-Vac dans notre protocole de recherche établi, un relief 3-D plus prononcé à été observé autour des expanseurs BIOCELL® dans le groupe d’approche d’intervention retardée (6 semaines). Des changements significatifs n’ont pas été observés au niveau des capsules SILTEX® dans les groupes d’approche d’intervention précoce (2 semaines) ni retardée.

Applying scanning electron microscopy for the ultrastructural and clinical analysis of periprosthetic capsules in implant-based breast reconstruction

La reconstruction en deux étapes par expanseur et implant est la technique la plus répandue pour la reconstruction mammmaire post mastectomie. La formation d’une capsule périprothétique est une réponse physiologique universelle à tout corps étranger présent dans le corps humain; par contre, la formation d’une capsule pathologique mène souvent à des complications et par conséquent à des résultats esthétiques sous-optimaux. Le microscope électronique à balayage (MEB) est un outil puissant qui permet d’effectuer une évaluation sans pareille de la topographie ultrastructurelle de spécimens. Le premier objectif de cette thèse est de comparer le MEB conventionnel (Hi-Vac) à une technologie plus récente, soit le MEB environnemental (ESEM), afin de déterminer si cette dernière mène à une évaluation supérieure des tissus capsulaires du sein. Le deuxième objectif est d‘appliquer la modalité de MEB supérieure et d’étudier les modifications ultrastructurelles des capsules périprothétiques chez les femmes subissant différents protocoles d’expansion de tissus dans le contexte de reconstruction mammaire prothétique. Deux études prospectives ont été réalisées afin de répondre à nos objectifs de recherche. Dix patientes ont été incluses dans la première, et 48 dans la seconde. La modalité Hi-Vac s’est avérée supérieure pour l’analyse compréhensive de tissus capsulaires mammaires. En employant le mode Hi-Vac dans notre protocole de recherche établi, un relief 3-D plus prononcé à été observé autour des expanseurs BIOCELL® dans le groupe d’approche d’intervention retardée (6 semaines). Des changements significatifs n’ont pas été observés au niveau des capsules SILTEX® dans les groupes d’approche d’intervention précoce (2 semaines) ni retardée.

Lien entre l'hémostase et le développement néoplasique : rôle spécifique du facteur tissulaire et de l'inhibiteur du facteur tissulaire

Il est reconnu, depuis une centaine d’années, que des désordres de la coagulation, regroupés sous le terme de coagulopathies, sont souvent associés au développement néoplasique. Pendant de nombreuses années, ces coagulopathies furent souvent reconnues comme une simple conséquence du développement du cancer. D’ailleurs, pour les cliniciens, l’apparition de ces anomalies sanguines constitue souvent le premier signe clinique d’un cancer occulte. Toutefois, l’étude approfondie du lien existant entre le système hémostatique et le cancer indique que différents facteurs hémostatiques vont interagir avec soit l’environnement tumoral ou soit la tumeur elle-même et influencer le développement du cancer. Au cours de nos travaux, nous avons porté une attention particulière à deux protéines jouant un rôle primordial dans l’hémostase. Le facteur tissulaire (TF) et l’inhibiteur du facteur tissulaire (TFPI) peuvent jouer des rôles pro- ou anti-néoplasique, et ce indépendamment de leurs fonctions hémostatiques normales. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons étudié les propriétés antiangiogéniques de TFPI. L’angiogenèse, soit la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir du réseau pré-existant, est reconnue comme étant une étape clée du développement tumoral. D’après nos travaux, le TFPI peut inhiber la formation de structures de type capillaire des cellules endothéliales (CEs) de la veine ombilicale humaine (HUVEC), et ce à une IC 50 de 5 nM, soit la concentration physiologique de l’inhibiteur. De plus, le TFPI bloque la migration des cellules endothéliales lorsque ces dernières sont stimulées par la sphingosine-1-phosphate (S1P), une molécule relâchée lors de l’activation des plaquettes sanguines. Cette inhibition de la migration cellulaire s’explique par l’effet du TFPI sur l’adhésion des CEs. En effet, TFPI inhibe la phosphorylation de deux protéines clées participant à la formation des complexes d’adhésion focales soit FAK (focal adhesion kinase) et PAX (paxilin). L’inhibition de ces deux protéines suggère qu’il y ait une réorganisation des complexes focaux, pouvant expliquer la perte d’adhérence. Finalement, des études de microscopie confocale démontrent que les cellules traitées au TFPI changent de morphologie au niveau du cytosquelette d’actine provoquant une désorganisation des structures migratoires (pseudopodes). Les effets du TFPI au niveau de la migration, de l’adhésion et de la morphologie cellulaire sont strictement spécifiques aux cellules endothéliales humaines, puisque aucun n’effet n’est observé en traitant des cellules cancéreuses de glioblastomes (GB) humains, qui sont normalement des tumeurs hautement vascularisées. En résumé, cette première étude démontre que le TFPI est un inhibiteur de l’angiogenèse. Dans le second volet de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux différents rôles de TF, le principal activateur de la coagulation. Cette protéine est également impliquée dans le développement néoplasique et notamment celui des médulloblastomes (MB) chez l’enfant via des fonctions hémostatiques et non-hémostatiques. Nos travaux démontrent que l’expression de TF est induite par la voie de signalisation de HGF (hepatocyte growth factor) et de son récepteur Met. Cet effet de HGF/Met semble spécifique aux MB puisque HGF ne peut stimuler l’expression de TF au niveau des cellules cancéreuses de glioblastomes. TF, exprimé à la surface des cellules médulloblastiques (DAOY), est responsable de l’activité pro-thrombogénique de ces cellules, ainsi qu’un acteur important de la migration de ces cellules en réponse au facteur VIIa (FVIIa). De plus, en étudiant 18 spécimens cliniques de MB, nous avons établi un lien entre l’intensité d’expression de TF et de Met. L’importance de cette corrélation est également suggérée par l’observation que les cellules exprimant les plus forts taux de TF et de Met sont également les plus agressives en termes d’index de prolifération et de dissémination métastatiques. En résumé, ces travaux représentent le point de départ pour la mise au point de TF comme un marqueur diagnostique clinique dans les cas de tumeurs du cerveau pédiatriques. De plus, l’élucidation de la voie de signalisation moléculaire responsable de l’expression de TF permet de mieux comprendre la biologie et le fonctionnement de ces tumeurs et de relier le profil d’expression de TF aux phénotypes agressifs de la maladie. Il est reconnu que HGF peut également jouer un rôle protecteur contre l’apoptose. Dans le troisième volet de cette thèse, nous avons remarqué que cette protection est corrélée à l’expression de TF. En réduisant à néant l’expression de TF à l’aide de la technologie des ARN silencieux (siRNA), nous démontrons que HGF ne protège plus les cellules contre l’apoptose. Donc, TF médie l’activité anti-apoptotique de HGF. TF assume cette protection en inactivant la phosphorylation de p53 sur la sérine 15, empêchant ainsi la translocation de p53 au noyau. Finalement, l’expression de TF et son interaction avec le FVIIa, au niveau des cellules médulloblastiques favorise la survie de ces dernières et ce même si elles sont soumises à de fortes concentrations de médicaments couramment utilisées en cliniques. Ce troisième et dernier volet démontre l’implication de TF en tant que facteur impliqué dans la survie des cellules cancéreuses, favorisant ainsi le développement de la tumeur. Dans son ensemble, cette thèse vise à démontrer que les facteurs impliqués normalement dans des fonctions hémostatiques (TFPI et TF) peuvent contribuer à réguler le développement tumoral. Tout système physiologique et pathologique est dépendant d’un équilibre entre activateur et inhibiteur et la participation de TF et de TFPI à la régulation du développement néoplasique illustre bien cette balance délicate. Par sa contribution anti- ou pro-néoplasique le système hémostatique constitue beaucoup plus qu’une simple conséquence du cancer; il fait partie par l’action de TF des stratégies élaborées par les cellules cancéreuses pour assurer leur croissance, leur déplacement et leur survie, alors que TFPI tente de limiter la croissance tumorale en diminuant la vascularisation.

Le cordon ombilical humain, source de cellules pour le génie tissulaire : Isolement, caractérisation et production de substituts humains

Le cordon ombilical humain suscite beaucoup d’intérêt comme source de cellules à des fins de recherche et de thérapie. Quatre types cellulaires majeurs - les cellules épithéliales, stromales, musculaires lisses et endothéliales - composent les tissus solides du cordon ombilical. Quelques-uns de ces types cellulaires ont été utilisés en recherche scientifique depuis longtemps, alors que d’autres commencent à peine à dévoiler leur potentiel. Nous avons développé un protocole unique pour l’extraction séquentielle de tous ces types cellulaires d’un seul cordon ombilical, permettant ainsi la reconstruction à partir d’une même source. La combinaison des techniques de perfusion, immersion et explants a mené à la mise en culture et à l’expansion de ces cellules, dont les cellules épithéliales et les cellules stromales de la gelée de Wharton qui ont été caractérisées plus en détail par l’immunomarquage de protéines spécifiques. Leur potentiel pour la médecine régénératrice a été démontré par la production de tissus par génie tissulaire. Un vaisseau sanguin composé de cellules stromales et de cellules musculaires lisses du cordon ombilical démontra une résistance substantielle à l’éclatement. Les capacités de différenciation des cellules épithéliales ont été étudiées dans le contexte d’une peau bilamellaire reconstruite en combinaison avec des kératinocytes, des fibroblastes dermiques, et des cellules stromales de la gelée de Wharton. Les cellules épithéliales ont montré une différenciation similaire à celle des kératinocytes lorsque cultivées sur des fibroblastes dermiques et exposées à l’air, tandis que sur des cellules stromales du cordon, elles ont subi une désorganisation. Finalement, la différenciation des cellules stromales a été induite en culture vers plusieurs types cellulaires afin de compléter cette étude. L’ensemble des résultats fait ressortir l’importance non seulement de l’influence du milieu physique sur la croissance et la différenciation des cellules, mais également de l’impact de la provenance des cellules sur la qualité des tissus reconstruits.

Improvement to Chinese information retrieval by incorporating word segmentation and query expansion

The increasing diversity of the Internet has created a vast number of multilingual resources on the Web. A huge number of these documents are written in various languages other than English. Consequently, the demand for searching in non-English languages is growing exponentially. It is desirable that a search engine can search for information over collections of documents in other languages. This research investigates the techniques for developing high-quality Chinese information retrieval systems. A distinctive feature of Chinese text is that a Chinese document is a sequence of Chinese characters with no space or boundary between Chinese words. This feature makes Chinese information retrieval more difficult since a retrieved document which contains the query term as a sequence of Chinese characters may not be really relevant to the query since the query term (as a sequence Chinese characters) may not be a valid Chinese word in that documents. On the other hand, a document that is actually relevant may not be retrieved because it does not contain the query sequence but contains other relevant words. In this research, we propose two approaches to deal with the problems. In the first approach, we propose a hybrid Chinese information retrieval model by incorporating word-based techniques with the traditional character-based techniques. The aim of this approach is to investigate the influence of Chinese segmentation on the performance of Chinese information retrieval. Two ranking methods are proposed to rank retrieved documents based on the relevancy to the query calculated by combining character-based ranking and word-based ranking. Our experimental results show that Chinese segmentation can improve the performance of Chinese information retrieval, but the improvement is not significant if it incorporates only Chinese segmentation with the traditional character-based approach. In the second approach, we propose a novel query expansion method which applies text mining techniques in order to find the most relevant words to extend the query. Unlike most existing query expansion methods, which generally select the highly frequent indexing terms from the retrieved documents to expand the query. In our approach, we utilize text mining techniques to find patterns from the retrieved documents that highly correlate with the query term and then use the relevant words in the patterns to expand the original query. This research project develops and implements a Chinese information retrieval system for evaluating the proposed approaches. There are two stages in the experiments. The first stage is to investigate if high accuracy segmentation can make an improvement to Chinese information retrieval. In the second stage, a text mining based query expansion approach is implemented and a further experiment has been done to compare its performance with the standard Rocchio approach with the proposed text mining based query expansion method. The NTCIR5 Chinese collections are used in the experiments. The experiment results show that by incorporating the text mining based query expansion with the hybrid model, significant improvement has been achieved in both precision and recall assessments.

On the optimal capacity expansion of electric power systems

The analysis of investment in the electric power has been the subject of intensive research for many years. The efficient generation and distribution of electrical energy is a difficult task involving the operation of a complex network of facilities, often located over very large geographical regions. Electric power utilities have made use of an enormous range of mathematical models. Some models address time spans which last for a fraction of a second, such as those that deal with lightning strikes on transmission lines while at the other end of the scale there are models which address time horizons consisting of ten or twenty years; these usually involve long range planning issues. This thesis addresses the optimal long term capacity expansion of an interconnected power system. The aim of this study has been to derive a new, long term planning model which recognises the regional differences which exist for energy demand and which are present in the construction and operation of power plant and transmission line equipment. Perhaps the most innovative feature of the new model is the direct inclusion of regional energy demand curves in the nonlinear form. This results in a nonlinear capacity expansion model. After review of the relevant literature, the thesis first develops a model for the optimal operation of a power grid. This model directly incorporates regional demand curves. The model is a nonlinear programming problem containing both integer and continuous variables. A solution algorithm is developed which is based upon a resource decomposition scheme that separates the integer variables from the continuous ones. The decompostion of the operating problem leads to an interactive scheme which employs a mixed integer programming problem, known as the master, to generate trial operating configurations. The optimum operating conditions of each trial configuration is found using a smooth nonlinear programming model. The dual vector recovered from this model is subsequently used by the master to generate the next trial configuration. The solution algorithm progresses until lower and upper bounds converge. A range of numerical experiments are conducted and these experiments are included in the discussion. Using the operating model as a basis, a regional capacity expansion model is then developed. It determines the type, location and capacity of additional power plants and transmission lines, which are required to meet predicted electicity demands. A generalised resource decompostion scheme, similar to that used to solve the operating problem, is employed. The solution algorithm is used to solve a range of test problems and the results of these numerical experiments are reported. Finally, the expansion problem is applied to the Queensland electricity grid in Australia.

On the optimal capacity expansion of electric power systems

The analysis of investment in the electric power has been the subject of intensive research for many years. The efficient generation and distribution of electrical energy is a difficult task involving the operation of a complex network of facilities, often located over very large geographical regions. Electric power utilities have made use of an enormous range of mathematical models. Some models address time spans which last for a fraction of a second, such as those that deal with lightning strikes on transmission lines while at the other end of the scale there are models which address time horizons consisting of ten or twenty years; these usually involve long range planning issues. This thesis addresses the optimal long term capacity expansion of an interconnected power system. The aim of this study has been to derive a new, long term planning model which recognises the regional differences which exist for energy demand and which are present in the construction and operation of power plant and transmission line equipment. Perhaps the most innovative feature of the new model is the direct inclusion of regional energy demand curves in the nonlinear form. This results in a nonlinear capacity expansion model. After review of the relevant literature, the thesis first develops a model for the optimal operation of a power grid. This model directly incorporates regional demand curves. The model is a nonlinear programming problem containing both integer and continuous variables. A solution algorithm is developed which is based upon a resource decomposition scheme that separates the integer variables from the continuous ones. The decompostion of the operating problem leads to an interactive scheme which employs a mixed integer programming problem, known as the master, to generate trial operating configurations. The optimum operating conditions of each trial configuration is found using a smooth nonlinear programming model. The dual vector recovered from this model is subsequently used by the master to generate the next trial configuration. The solution algorithm progresses until lower and upper bounds converge. A range of numerical experiments are conducted and these experiments are included in the discussion. Using the operating model as a basis, a regional capacity expansion model is then developed. It determines the type, location and capacity of additional power plants and transmission lines, which are required to meet predicted electicity demands. A generalised resource decompostion scheme, similar to that used to solve the operating problem, is employed. The solution algorithm is used to solve a range of test problems and the results of these numerical experiments are reported. Finally, the expansion problem is applied to the Queensland electricity grid in Australia

Expansion and chondrogenic potential of human articular chondrocytes on macroporous microcarriers

Regenerative medicine techniques are currently being investigated to replace damaged cartilage. Critical to the success of these techniques is the ability to expand the initial population of cells while minimising de-differentiation to allow for hyaline cartilage to form. Three-dimensional culture systems have been shown to enhance the differentiation of chondrocytes in comparison to two-dimensional culture systems. Additionally, bioreactor expansion on microcarriers can provide mechanical stimulation and reduce the amount of cellular manipulation during expansion. The aim of this study was to characterise the expansion of human chondrocytes on microcarriers and to determine their potential to form cartilaginous tissue in vitro. High-grade human articular cartilage was obtained from leg amputations with ethics approval. Chondrocytes were isolated by collagenase digestion and expanded in either monolayers (104 cells/cm2) or on CultiSpher-G microcarriers (104 cells/mg) for three weeks. Following expansion, monolayer cells were passaged and cells on microcarriers were either left intact or the cells were released with trypsin/EDTA. Pellets from these three groups were formed and cultured for three weeks to establish the chondrogenic differentiation potential of monolayer-expanded and microcarrier-expanded chondrocytes. Cell viability, proliferation, glycosaminoglycan (GAG) accumulation, and collagen synthesis were assessed. Histology and immunohistochemistry were also performed. Human chondrocytes remained viable and expanded on microcarriers 10.2±2.6 fold in three weeks. GAG content significantly increased with time, with the majority of GAG found in the medium. Collagen production per nanogram DNA increased marginally during expansion. Histology revealed that chondrocytes were randomly distributed on microcarrier surfaces yet most pores remained cell free. Critically, human chondrocytes expanded on microcarriers maintained their ability to redifferentiate in pellet culture, as demonstrated by Safranin-O and collagen II staining. These data confirm the feasibility of microcarriers for passage-free cultivation of human articular chondrocytes. However, cell expansion needs to be improved, perhaps through growth factor supplementation, for clinical utility. Recent data indicate that cell-laden microcarriers can be used to seed fresh microcarriers, thereby increasing the expansion factor while minimising enzymatic passage.

Adult human articular chondrocytes in a microcarrier-based culture system : expansion and redifferentiation

xpanding human chondrocytes in vitro while maintaining their ability to form cartilage remains a key challenge in cartilage tissue engineering. One promising approach to address this is to use microcarriers as substrates for chondrocyte expansion. While microcarriers have shown beneficial effects for expansion of animal and ectopic human chondrocytes, their utility has not been determined for freshly isolated adult human articular chondrocytes. Thus, we investigated the proliferation and subsequent chondrogenic differentiation of these clinically relevant cells on porous gelatin microcarriers and compared them to those expanded using traditional monolayers. Chondrocytes attached to microcarriers within 2 days and remained viable over 4 weeks of culture in spinner flasks. Cells on microcarriers exhibited a spread morphology and initially proliferated faster than cells in monolayer culture, however, with prolonged expansion they were less proliferative. Cells expanded for 1 month and enzymatically released from microcarriers formed cartilaginous tissue in micromass pellet cultures, which was similar to tissue formed by monolayer-expanded cells. Cells left attached to microcarriers did not exhibit chondrogenic capacity. Culture conditions, such as microcarrier material, oxygen tension, and mechanical stimulation require further investigation to facilitate the efficient expansion of clinically relevant human articular chondrocytes that maintain chondrogenic potential for cartilage regeneration applications.

Model-order selection in Zernike polynomial expansion of corneal surfaces using the efficient detection criterion

Corneal-height data are typically measured with videokeratoscopes and modeled using a set of orthogonal Zernike polynomials. We address the estimation of the number of Zernike polynomials, which is formalized as a model-order selection problem in linear regression. Classical information-theoretic criteria tend to overestimate the corneal surface due to the weakness of their penalty functions, while bootstrap-based techniques tend to underestimate the surface or require extensive processing. In this paper, we propose to use the efficient detection criterion (EDC), which has the same general form of information-theoretic-based criteria, as an alternative to estimating the optimal number of Zernike polynomials. We first show, via simulations, that the EDC outperforms a large number of information-theoretic criteria and resampling-based techniques. We then illustrate that using the EDC for real corneas results in models that are in closer agreement with clinical expectations and provides means for distinguishing normal corneal surfaces from astigmatic and keratoconic surfaces.