Virtual plants - integrating architectural and physiological models

Recent advances in computer technology have made it possible to create virtual plants by simulating the details of structural development of individual plants. Software has been developed that processes plant models expressed in a special purpose mini-language based on the Lindenmayer system formalism. These models can be extended from their architectural basis to capture plant physiology by integrating them with crop models, which estimate biomass production as a consequence of environmental inputs. Through this process, virtual plants will gain the ability to react to broad environmental conditions, while crop models will gain a visualisation component. This integration requires the resolution of the fundamentally different time scales underlying the approaches. Architectural models are usually based on physiological time; each time step encompasses the same amount of development in the plant, without regard to the passage of real time. In contrast, physiological models are based in real time; the amount of development in a time step is dependent on environmental conditions during the period. This paper provides a background on the plant modelling language, then describes how widely-used concepts of thermal time can be implemented to resolve these time scale differences. The process is illustrated using a case study. (C) 1997 Elsevier Science Ltd.

The use of image analysis systems for the assesment of zooplankton physiological rates and carbon fluxes

Trabajo realizado por: Garijo, J. C., Hernández León, S.

Modeling the skin pattern of fishes

Complicated patterns showing various spatial scales have been obtained in the past by coupling Turing systems in such a way that the scales of the independent systems resonate. This produces superimposed patterns with different length scales. Here we propose a model consisting of two identical reaction-diffusion systems coupled together in such a way that one of them produces a simple Turing pattern of spots or stripes, and the other traveling wave fronts that eventually become stationary. The basic idea is to assume that one of the systems becomes fixed after some time and serves as a source of morphogens for the other system. This mechanism produces patterns very similar to the pigmentation patterns observed in different species of stingrays and other fishes. The biological mechanisms that support the realization of this model are discussed.

Angiotensin II-induced cardiac hypertrophy is associated with different mitogen-activated protein kinase activation in normotensive and hypertensive mice.

OBJECTIVE: In addition to its haemodynamic effects, angiotensin II (AngII) is thought to contribute to the development of cardiac hypertrophy via its growth factor properties. The activation of mitogen-activated protein kinases (MAPK) is crucial for stimulating cardiac growth. Therefore, the present study aimed to determine whether the trophic effects of AngII and the AngII-induced haemodynamic load were associated with specific cardiac MAPK pathways during the development of hypertrophy. Methods The activation of the extracellular-signal-regulated kinase (ERK), the c-jun N-terminal kinase (JNK) and the p38 kinase was followed in the heart of normotensive and hypertensive transgenic mice with AngII-mediated cardiac hypertrophy. Secondly, we used physiological models of AngII-dependent and AngII-independent renovascular hypertension to study the activation of cardiac MAPK pathways during the development of hypertrophy. RESULTS: In normotensive transgenic animals with AngII-induced cardiac hypertrophy, p38 activation is associated with the development of hypertrophy while ERK and JNK are modestly stimulated. In hypertensive transgenic mice, further activation of ERK and JNK is observed. Moreover, in the AngII-independent model of renovascular hypertension and cardiac hypertrophy, p38 is not activated while ERK and JNK are strongly stimulated. In contrast, in the AngII-dependent model, all three kinases are stimulated. CONCLUSIONS: These data suggest that p38 activation is preferentially associated with the direct effects of AngII on cardiac cells, whereas stimulation of ERK and JNK occurs in association with AngII-induced mechanical stress.

Novel therapeutic strategies targeting regulatory T cells and downstream TCR signaling in transplantation

Avec plus de 100000 transplantations d'organes solides (TOS) par année dans le monde, la transplantation d'organes reste actuellement l'un des meilleurs traitements disponibles pour de nombreuses maladies en phase terminale. Bien que les médicaments immunosuppresseurs couramment utilisés soient efficaces dans le contrôle de la réponse immune engendrant le rejet aigu d'une greffe, la survie du greffon à long terme ainsi que la présence d'effets secondaires indésirables restent un enjeu considérable en clinique. C'est pourquoi il est nécessaire de trouver de nouvelles approches thérapeutiques innovantes permettant de contrôler la réponse immunitaire et ainsi d'améliorer les résultats à long terme. L'utilisation des lymphocytes T régulateurs (Treg), suppresseurs naturels de la réponse inflammatoire, a fait l'objet de nombreuses études ces dix dernières années, et pourrait être considérée comme un moyen intéressant d'améliorer la tolérance immunologique de la greffe. Cependant, l'un des obstacles de l'utilisation des Treg comme agent thérapeutique est leur nombre insuffisant non seulement en conditions normales, mais en particulier lors d'une forte réponse immune avec expansion de cellules immunitaires alloréactives. En raison des limitations techniques connues pour l'induction des Treg ex-vivo ou in vitro, nous avons dédié la première partie du travail de thèse à la détermination de l'efficacité de l'induction des Treg in vivo grâce à l'utilisation d'un complexe protéique IL-2/JES6-1 (IL2c). Nous avons montré que l'expansion des Treg par IL2c permettait d'augmenter la survie du greffon sur un modèle murin de transplantation de peau avec mismatch entre le donneur et le receveur pour le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH). De plus, nous avons vu qu'en combinant IL2c à une inhibition à court terme de la voie de co-stimulation CD40L-CD40 (anti-CD154/MRl, administré au moment de la transplantation) pour empêcher l'activation des lymphocytes T, il est possible d'induire une tolérance robuste à long terme. Finalement, nos résultats soulignent l'importance de cibler une voie de co-stimulation bien particulière. En effet, l'utilisation d'IL2c combinée au blocage de la co-stimulation CD28-B7.1/2 (CTLA-4 Ig) n'induit qu'une faible prolongation de la survie de la greffe et n'induit pas de tolérance. L'application chez l'humain des traitements induisant la tolérance dans des modèles expérimentaux murins ou de primates n'a malheureusement pas montré de résultats probants en recherche clinique ; une des principales raisons étant la présence de lymphocytes B et T mémoires provenant du systeme d immunité acquise. C est pourquoi nous avons testé si la combinaison d'IL2c et MR1 améliorait la survie de la greffe dans des souris pré¬sensibilisées. Nous avons trouvé qu'en présence de lymphocytes B et T mémoires alloréactifs, l'utilisation d'IL2c et MR1 permettait une amélioration de la survie de la greffe de peau des souris immunocompétentes mais comparé aux souris receveuses naïves, aucune tolérance n'a pu être induite. Toutefois, l'ajout d'un traitement anti-LFA-1 (permettant de bloquer la circulation des lymphocytes T activées) a permis d'améliorer de manière significative la survie de la greffe. Cependant, le rejet chronique, dû à la présence de lymphocytes B activés/mémoires et la production d'anticorps donneur-spécifiques, n'a pas pu être évité. Cibler l'activation des lymphocytes T est la stratégie immunothérapeutique prépondérente après une TOS. C'est pourquoi dans la deuxième partie de cette thèse nous nous sommes intéressés au système de signalisation d'un récepteur des lymphocytes T qui dépend de la paracaspase Malti en tant que nouvelle stratégie immunosuppressive pour le contrôle des lymphocytes T alloréactifs. Nous avons montré que bien que l'inhibition de la signalisation du lymphocyte T en aval de Malti induise une tolérance envers un greffon de peau avec incompatibilités antigéniques mineures, cela ne permet cependant qu'une régulation partielle de l'alloréponse contre des antigènes du CMH. Nous nous sommes aussi intéressés spécifiquement à l'activité protéolytique de Malti. L'inhibition constitutive de l'activité protéolytique de Malti chez les souris Malti-ki s'est révélée délétère pour l'induction de la tolérance car elle diminue la fonction des Treg et augmente l'alloréactivité des cellules Thl. Cependant, lors de l'utilisation d'un inhibiteur peptidique de l'activité protéase de Malti in vitro, il a été possible d'observer une atténuation de l'alloéactivité des lymphocytes T ainsi qu'un maintien de la population des Treg existants. Ces résultats nous laissent penser que des études plus poussées sur le rôle de la signalisation médiée par Malti seraient à envisager dans le domaine de la transplantation. En résumé, les résultats obtenus durant cette thèse nous ont permis d'élucider certains mécanismes immunologiques propres à de nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles dont le but est d'induire une tolérance lors de TOS. De plus, ces résultats nous ont permis de souligner l'importance d'utiliser des modèles davantage physiologiques contenant, notamment en tenant compte des lymphocytes B et T mémoires alloréactifs. -- Organ transplantation remains the best available treatment for many forms of end-stage organ diseases, with over 100,000 solid organ transplantations (SOT) occurring worldwide eveiy year. Although the available immunosuppressive (IS) drugs are efficient in controlling acute immune activation and graft rejection, the off-target side effects as well as long-term graft and patient survival remain a challenge in the clinic. Hence, innovative therapeutic approaches are needed to improve long-term outcome across immunological barriers. Based on extensive experimental data obtained over the last decade, it is tempting to consider immunotherapy using Treg; the natural suppressors of overt inflammatory responses, in promoting transplantation tolerance. The first hurdle for the therapeutic use of Treg is their insufficient numbers in non- manipulated individuals, in particular when facing strong immune activation and expanding alloreactive effector cells. Because of the limitations associated with current protocols aiming at ex-vivo expansion or in vitro induction of Treg, the aim of the first part of this thesis was to determine the efficacy of direct in vivo expansion of Treg using the IL-2/JES6- 1 immune complex (IL2c). We found that whilst IL2c mediated Treg expansion alone allowed the prolonged graft survival of fìlli MHC-mismatched skin grafts, its combination with short-term CD40L-CD40 co-stimulation blockade (anti-CD 154/MR1) to inhibit T cell activation administered at the time of transplantation was able to achieve long-term robust tolerance. This study also highlighted the importance of combining Treg based therapies with the appropriate co-stimulation blockade as a combination of IL2c and CD28-B7.1/2 co- stimulation blockade (CTLA-4 Ig) only resulted in slight prolongation of graft survival but not tolerance. The translation of tolerance induction therapies modelled in rodents into non-human primates or into clinical trials has seldom been successful. One main reason being the presence of pre-existing memory T- and B-cells due to acquired immunity in humans versus laboratory animals. Hence, we tested whether IL2c+MRl could promote graft survival in pre-sensitized mice. We found that in the presence of alloreactive memory T- and B-cells, IL2c+MRl combination therapy could prolong MHC-mismatched skin graft survival in immunocompetent mice but tolerance was lost compared to the naïve recipients. The addition of anti-LF A-1 treatment, which prevents the trafficking of memory T cells worked synergistically to significantly further enhance graft survival. However, late rejection mediated by activated/memory B cells and persistent donor-specific alloantibodies still occurred. Immunotherapeutic strategies targeting the activation of T cells are the cornerstone in the current immunosuppressive management after SOT. Therefore, in the next part of this thesis we investigated the paracaspase Malti-dependent T-cell receptor signalling as a novel immunosuppressive strategy to control alloreactive T cells in transplantation. We observed that although the inhibition of Malti downstream T signalling lead to tolerance of a minor H- mismatch skin grafts, it was however not sufficient to regulate alloresponses against MHC mismatches and only prolonged graft survival. Furthermore, we investigated the potential of more selectively targeting the protease activity of Malti. Constitutive inhibition of Malti protease activity in Malti-ki mice was detrimental to tolerance induction as it diminished Treg function and increased Thl alloreactivity. However, when using a small peptide inhibitor of Malti proteolytic activity in vitro, we observed an attenuation of alloreactive T cells and sparing of the pre-existing Treg pool. This indicates that further investigation of the role of Malti signalling in the field of transplantation is required. Collectively, the findings of this thesis provide immunological mechanisms underlying novel therapeutic strategies for the promotion of tolerance in SOT. Moreover, we highlight the importance of testing tolerance induction therapies in more physiological models with pre-existing alloreactive memory T and B cells.

A novel device with 36 channels for imaging and signal acquisition of the gastrointestinal tract based on AC biosusceptometry

The alternate current biosusceptometry (ACB) is a biomagnetic technique used to study some physiological parameters associated with gastrointestinal (GI) tract. For this purpose it applies an AC magnetic field and measures the response originating from magnetic marks or tracers. This paper presents an equipment based on the ACB which uses anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors and an inexpensive electronic support. The ACB-AMR developed consists of a square array of 6x6 sensors arranged in a firstorder gradiometer configuration with one reference sensor. The equipment was applied to capture magnetic images of different phantoms and to acquire gastric contraction activity of healthy rats. The results show a reasonable sensitivity and spatial-temporal resolution, so that it may be applied for imaging of phantoms and signal acquisition of the GI tract of small animals. © 2010 IEEE.

Association between energy cost of walking, muscle activation, and biomechanical parameters in older female fallers and non-fallers

Objective: To determine the nervous activation, muscle strength, and biomechanical parameters that influence the cost of walking in older fallers and non-fallers. Methods: Maximal voluntary isokinetic torque was measured for the hip, knee and ankle of older women. Oxygen consumption was measured at rest and during 8 min of walking at self-selected speed. An additional minute of walking was performed to collect kinematic variables and the electromyographic signal of trunk, hip, knee, and ankle muscles, which was analyzed by the linear envelope. Cost of walking was calculated by subtracting resting body mass-normalized oxygen consumption from walking body mass-normalized oxygen consumption. Stride time and length, and ankle and hip range of motion were calculated from kinematic data. Findings: Older adult fallers had 28% lower knee extensor strength (p = 0.02), 47% lower internal oblique activation at heel contact (p = 0.03), and higher coactivation between tibialis anterior and gastrocnemius lateralis in each of the gait phases (p < 0.05). For fallers, a higher activation of gluteus maximus was associated with a higher cost of walking (r = 0.55, p < 0.05 and r = 0.71, p < 0.01, before and after heel contact, respectively). For non-fallers, an association between cost of walking and age (r = 0.60, p = 0.01) and cost of walking and thigh muscle coactivation (r = 0.53, p = 0.01) existed. Interpretation: This study demonstrated that there may be links between lower-extremity muscle weakness, muscle activation patterns, altered gait, and increased cost of walking in older fallers. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Interlinked dual-time feedback loops can enhance robustness to stochasticity and persistence of memory.

Multiple interlinked positive feedback loops shape the stimulus responses of various biochemical systems, such as the cell cycle or intracellular Ca2+ release. Recent studies with simplified models have identified two advantages of coupling fast and slow feedback loops. This dual-time structure enables a fast response while enhancing resistances of responses and bistability to stimulus noise. We now find that (1) the dual-time structure similarly confers resistance to internal noise due to molecule number fluctuations, and (2) model variants with altered coupling, which better represent some specific biochemical systems, share all the above advantages. We also develop a similar bistable model with coupling of a fast autoactivation loop to a slow loop. This model's topology was suggested by positive feedback proposed to play a role in long-term synaptic potentiation (LTP). The advantages of fast response and noise resistance are also present in this autoactivation model. Empirically, LTP develops resistance to reversal over approximately 1h . The model suggests this resistance may result from increased amounts of synaptic kinases involved in positive feedback.

Euphausiid respiration model revamped, link to model results

Euphausiids constitute major biomass component in shelf ecosystems and play a fundamental role in the rapid vertical transport of carbon from the ocean surface to the deeper layers during their daily vertical migration (DVM). DVM depth and migration patterns depend on oceanographic conditions with respect to temperature, light and oxygen availability at depth, factors that are highly dependent on season in most marine regions. Changes in the abiotic conditions also shape Euphausiid metabolism including aerobic and anaerobic energy production. Here we introduce a global krill respiration model which includes the effect of latitude (LAT), the day of the year of interest (DoY), and the number of daylight hours on the day of interest (DLh), in addition to the basal variables that determine ectothermal oxygen consumption (temperature, body mass and depth) in the ANN model (Artificial Neural Networks). The newly implemented parameters link space and time in terms of season and photoperiod to krill respiration. The ANN model showed a better fit (r**2=0.780) when DLh and LAT were included, indicating a decrease in respiration with increasing LAT and decreasing DLh. We therefore propose DLh as a potential variable to consider when building physiological models for both hemispheres. We also tested for seasonality the standard respiration rate of the most common species that were investigated until now in a large range of DLh and DoY with Multiple Linear Regression (MLR) or General Additive model (GAM). GAM successfully integrated DLh (r**2= 0.563) and DoY (r**2= 0.572) effects on respiration rates of the Antarctic krill, Euphausia superba, yielding the minimum metabolic activity in mid-June and the maximum at the end of December. Neither the MLR nor the GAM approach worked for the North Pacific krill Euphausia pacifica, and MLR for the North Atlantic krill Meganyctiphanes norvegica remained inconclusive because of insufficient seasonal data coverage. We strongly encourage comparative respiration measurements of worldwide Euphausiid key species at different seasons to improve accuracy in ecosystem modelling.

Photosynthetic parameters, chlorophyll concentration, and diffuse attenuation coefficients in the Rhode River, Maryland (USA), 1990-2009

Parameters in the photosynthesis-irradiance (P-E) relationship of phytoplankton were measured at weekly to bi-weekly intervals for 20 yr at 6 stations on the Rhode River, Maryland (USA). Variability in the light-saturated photosynthetic rate, PBmax, was partitioned into interannual, seasonal, and spatial components. The seasonal component of the variance was greatest, followed by interannual and then spatial. Physiological models of PBmax based on balanced growth or photoacclimation predicted the overall mean and most of the range, but not individual observations, and failed to capture important features of the seasonal and interannual variability. PBmax correlated most strongly with temperature and the concentration of dissolved inorganic carbon (IC), with lesser correlations with chlorophyll a, diffuse attenuation coefficient, and a principal component of the species composition. In statistical models, temperature and IC correlated best with the seasonal pattern, but temperature peaked in late July, out of phase with PBmax, which peaked in September, coincident with the maximum in monthly averaged IC concentration. In contrast with the seasonal pattern, temperature did not contribute to interannual variation, which instead was governed by IC and the additional lesser correlates. Spatial variation was relatively weak and uncorrelated with ancillary measurements. The results demonstrate that both the overall distribution of PBmax and its relationship with environmental correlates may vary from year to year. Coefficients in empirical statistical models became stable after including 7 to 10 yr of data. The main correlates of PBmax are amenable to automated monitoring, so that future estimates of primary production might be made without labor-intensive incubations.

Modelado de sistemas de inteligencia ambiental para el entrenamiento de las cualidades físicas

En un ejercicio no extenuante la frecuencia cardíaca (FC) guarda una relación lineal con el consumo máximo de oxígeno (V O2max) y se suele usar como uno de los parámetros de referencia para cuantificar la capacidad del sistema cardiovascular. Normalmente la frecuencia cardíaca puede remplazar el porcentaje de V O2max en las prescripciones básicas de ejercicio para la mejora de la resistencia aeróbica. Para obtener los mejores resultados en la mejora de la resistencia aeróbica, el entrenamiento de los individuos se debe hacer a una frecuencia cardíaca suficientemente alta, para que el trabajo sea de predominio dinámico con la fosforilación oxidativa como fuente energética primaria, pero no tan elevada que pueda suponer un riesgo de infarto de miocardio para el sujeto que se está entrenando. Los programas de entrenamiento de base mínima y de base óptima, con ejercicios de estiramientos para prevenir lesiones, son algunos de los programas más adecuados para el entrenamiento de la resistencia aeróbica porque maximizan los beneficios y minimizan los riesgos para el sistema cardiovascular durante las sesiones de entrenamiento. En esta tesis, se ha definido un modelo funcional para sistemas de inteligencia ambiental capaz de monitorizar, evaluar y entrenar las cualidades físicas que ha sido validado cuando la cualidad física es la resistencia aeróbica. El modelo se ha implementado en una aplicación Android utilizando la camiseta inteligente “GOW running” de la empresa Weartech. El sistema se ha comparado en el Laboratorio de Fisiología del Esfuerzo (LFE) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) durante la realización de pruebas de esfuerzo. Además se ha evaluado un sistema de guiado con voz para los entrenamientos de base mínima y de base óptima. También el desarrollo del software ha sido validado. Con el uso de cuestionarios sobre las experiencias de los usuarios utilizando la aplicación se ha evaluado el atractivo de la misma. Por otro lado se ha definido una nueva metodología y nuevos tipos de cuestionarios diseñados para evaluar la utilidad que los usuarios asignan al uso de un sistema de guiado por voz. Los resultados obtenidos confirman la validez del modelo. Se ha obtenido una alta concordancia entre las medidas de FC hecha por la aplicación Android y el LFE. También ha resultado que los métodos de estimación del VO2max de los dos sistemas pueden ser intercambiables. Todos los usuarios que utilizaron el sistema de guiado por voz para entrenamientos de 10 base mínima y de base óptimas de la resistencia aeróbica consiguieron llevar a cabo las sesiones de entrenamientos con un 95% de éxito considerando unos márgenes de error de un 10% de la frecuencia cardíaca máxima teórica. La aplicación fue atractiva para los usuarios y hubo también una aceptación del sistema de guiado por voz. Se ha obtenido una evaluación psicológica positiva de la satisfacción de los usuarios que interactuaron con el sistema. En conclusión, se ha demostrado que es posible desarrollar sistemas de Inteligencia Ambiental en dispositivos móviles para la mejora de la salud. El modelo definido en la tesis es el primero modelo funcional teórico de referencia para el desarrollo de este tipo de aplicaciones. Posteriores estudios se realizarán con el objetivo de extender dicho modelo para las demás cualidades físicas que suponen modelos fisiológicos más complejos como por ejemplo la flexibilidad. Abstract In a non-strenuous exercise, the heart rate (HR) shows a linear relationship with the maximum volume of oxygen consumption (V O2max) and serves as an indicator of performance of the cardiovascular system. The heart rate replaces the %V O2max in exercise program prescription to improve aerobic endurance. In order to achieve an optimal effect during endurance training, the athlete needs to work out at a heart rate high enough to trigger the aerobic metabolism, while avoiding the high heart rates that bring along significant risks of myocardial infarction. The minimal and optimal base training programs, followed by stretching exercises to prevent injuries, are adequate programs to maximize benefits and minimize health risks for the cardiovascular system during single session training. In this thesis, we have defined an ambient intelligence system functional model that monitors, evaluates and trains physical qualities, and it has been validated for aerobic endurance. It is based on the Android System and the “GOW Running” smart shirt. The system has been evaluated during functional assessment stress testing of aerobic endurance in the Stress Physiology Laboratory (SPL) of the Technical University of Madrid (UPM). Furthermore, a voice system, designed to guide the user through minimal and optimal base training programs, has been evaluated. Also the software development has been evaluated. By means of user experience questionnaires, we have rated the attractiveness of the android application. Moreover, we have defined a methodology and a new kind of questionnaires in order to assess the user experience with the audio exercise guide system. The results obtained confirm the model. We have a high similarity between HR measurements made of our system and the one used by SPL. We have also a high correlation between the VO2max estimations of our system and the SPL system. All users, that tried the voice guidance system for minimal and optimal base training programs, were able to perform the 95% of the training session with an error lower than the 10% of theoretical maximum heart rate. The application appeared attractive to the users, and it has also been proven that the voice guidance system was useful. As result we obtained a positive evaluation of the users' satisfaction while they interacted with the system. In conclusion, it has been demonstrated that is possible to develop mobile Ambient Intelligence applications for the improvement of healthy lifestyle. AmIRTEM model is the first theoretical reference functional model for the design of this kind of applications. Further studies will be realized in order to extend the AmIRTEM model to other physical qualities whose physiological models are more complex than the aerobic endurance.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

Rice morphogenesis and plant architecture: Measurement, specification and the reconstruction of structural development by 3D architectural modelling

Background and Aims The morphogenesis and architecture of a rice plant, Oryza sativa, are critical factors in the yield equation, but they are not well studied because of the lack of appropriate tools for 3D measurement. The architecture of rice plants is characterized by a large number of tillers and leaves. The aims of this study were to specify rice plant architecture and to find appropriate functions to represent the 3D growth across all growth stages. Methods A japonica type rice, 'Namaga', was grown in pots under outdoor conditions. A 3D digitizer was used to measure the rice plant structure at intervals from the young seedling stage to maturity. The L-system formalism was applied to create '3D virtual rice' plants, incorporating models of phenological development and leaf emergence period as a function of temperature and photoperiod, which were used to determine the timing of tiller emergence. Key Results The relationships between the nodal positions and leaf lengths, leaf angles and tiller angles were analysed and used to determine growth functions for the models. The '3D virtual rice' reproduces the structural development of isolated plants and provides a good estimation of the fillering process, and of the accumulation of leaves. Conclusions The results indicated that the '3D virtual rice' has a possibility to demonstrate the differences in the structure and development between cultivars and under different environmental conditions. Future work, necessary to reflect both cultivar and environmental effects on the model performance, and to link with physiological models, is proposed in the discussion.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.