HARNESSING iNKT CELLS WITH RECOMBINANT CD1d FUSION PROTEINS TO REDIRECT INNATE AND ADAPTIVE IMMUNITY TO THE TUMOR

Les thérapies du cancer, comme la radiothérapie et la chimiothérapie, sont couramment utilisées mais ont de nombreux effets secondaires. Ces thérapies invasives pour le patient nécessitent d'être améliorées et de nombreuses avancées ont été faites afin d'adapter et de personnaliser le traitement du cancer. L'immunothérapie a pour but de renforcer le système immunitaire du patient et de le rediriger de manière spécifique contre la tumeur. Dans notre projet, nous activons les lymphocytes Invariant Natural Killer T (iNKT) afin de mettre en place une immunothérapie innovatrice contre le cancer. Les cellules iNKT sont une unique sous-population de lymphocytes T qui ont la particularité de réunir les propriétés de l'immunité innée ainsi qu'adaptative. En effet, les cellules iNKT expriment à leur surface des molécules présentes aussi sur les cellules tueuses NK, caractéristique de l'immunité innée, ainsi qu'un récepteur de cellules T (TCR) qui représente l'immunité adaptative. Les cellules iNKT reconnaissent avec leur TCR des antigènes présentés par la molécule CD1d. Les antigènes sont des protéines, des polysaccharides ou des lipides reconnus par les cellules du système immunitaire ou les anticorps pour engendrer une réponse immunitaire. Dans le cas des cellules iNKT, l'alpha-galactosylceramide (αGC) est un antigène lipidique fréquemment utilisé dans les études cliniques comme puissant activateur. Après l'activation des cellules iNKT avec l'αGC, celles-ci produisent abondamment et rapidement des cytokines. Ces cytokines sont des molécules agissant comme des signaux activateurs d'autres cellules du système immunitaire telles que les cellules NK et les lymphocytes T. Cependant, les cellules iNKT deviennent anergiques après un seul traitement avec l'αGC c'est à dire qu'elles ne peuvent plus être réactivées, ce qui limite leur utilisation dans l'immunothérapie du cancer. Dans notre groupe, Stirnemann et al ont publié une molécule recombinante innovante, composée de la molécule CD1d soluble et chargée avec le ligand αGC (αGC/sCD1d). Cette protéine est capable d'activer les cellules iNKT tout en évitant l'anergie. Dans le système immunitaire, les anticorps sont indispensables pour combattre une infection bactérienne ou virale. En effet, les anticorps ont la capacité de reconnaître et lier spécifiquement un antigène et permettent l'élimination de la cellule qui exprime cet antigène. Dans le domaine de l'immunothérapie, les anticorps sont utilisés afin de cibler des antigènes présentés seulement par la tumeur. Ce procédé permet de réduire efficacement les effets secondaires lors du traitement du cancer. Nous avons donc fusionné la protéine recombinante αGC/CD1d à un fragment d'anticorps qui reconnaît un antigène spécifique des cellules tumorales. Dans une étude préclinique, nous avons démontré que la protéine αGC/sCD1d avec un fragment d'anticorps dirigé contre la tumeur engendre une meilleure activation des cellules iNKT et entraîne un effet anti-tumeur prolongé. Cet effet anti-tumeur est augmenté comparé à une protéine αGC/CD1d qui ne cible pas la tumeur. Nous avons aussi montré que l'activation des cellules iNKT avec la protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur améliore l'effet anti- tumoral d'un vaccin pour le cancer. Lors d'expériences in vitro, la protéine αGC/sCD1d-anti- tumeur permet aussi d'activer les cellules humaines iNKT et ainsi tuer spécifiquement les cellules tumorales humaines. La protéine αGC/sCD1d-anti-tumeur représente une alternative thérapeutique prometteuse dans l'immunothérapie du cancer. - Les cellules Invariant Natural Killer T (iNKT), dont les effets anti-tumoraux ont été démontrés, sont de puissants activateurs des cellules Natural Killer (NK), des cellules dendritiques (DC) et des lymphocytes T. Cependant, une seule injection du ligand de haute affinité alpha-galactosylceramide (αGC) n'induit une forte activation des cellules iNKT que durant une courte période. Celle-ci est alors suivie d'une longue phase d'anergie, limitant ainsi leur utilisation pour la thérapie. Comme alternative prometteuse, nous avons montré que des injections répétées d'αGC chargé sur une protéine recombinante de CD1d soluble (αGC/sCD1d) chez la souris entraînent une activation prolongée des cellules iNKT, associée à une production continue de cytokine. De plus, le maintien de la réactivité des cellules iNKT permet de prolonger l'activité anti-tumorale lorsque la protéine αGC/sCD1d est fusionnée à un fragment d'anticorps (scFv) dirigé contre la tumeur. L'inhibition de la croissance tumorale n'est optimale que lorsque les souris sont traitées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv ciblant la tumeur, la protéine αGC/sCD1d-scFv non-appropriée étant moins efficace. Dans le système humain, les protéines recombinantes αGC/sCD1d-anti-HER2 et anti-CEA sont capables d'activer et de faire proliférer des cellules iNKT à partir de PBMCs issues de donneurs sains. De plus, la protéine αGC/sCD1d-scFv a la capacité d'activer directement des clones iNKT humains en l'absence de cellules présentatrices d'antigènes (CPA), contrairement au ligand αGC libre. Mais surtout, la lyse des cellules tumorales par les iNKT humaines n'est obtenue que lorsqu'elles sont incubées avec la protéine αGC/sCD1d-scFv anti- tumeur. En outre, la redirection de la cytotoxicité des cellules iNKT vers la tumeur est supérieure à celle obtenue avec une stimulation par des CPA chargées avec l'αGC. Afin d'augmenter les effets anti-tumoraux, nous avons exploité la capacité des cellules iNKT à activer l'immunité adaptive. Pour ce faire, nous avons combiné l'immunothérapie NKT/CD1d avec un vaccin anti-tumoral composé d'un peptide OVA. Des effets synergiques ont été obtenus lorsque les traitements avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 étaient associés avec le CpG ODN comme adjuvant pour la vaccination avec le peptide OVA. Ces effets ont été observés à travers l'activation de nombreux lymphocytes T CD8+ spécifique de la tumeur, ainsi que par la forte expansion des cellules NK. Les réponses, innée et adaptive, élevées après le traitement avec la protéine αGC/sCD1d-anti-HER2 combinée au vaccin OVA/CpG ODN étaient associées à un fort ralentissement de la croissance des tumeurs B16- OVA-HER2. Cet effet anti-tumoral corrèle avec l'enrichissement des lymphocytes T CD8+ spécifiques observé à la tumeur. Afin d'étendre l'application des protéines αGC/sCD1d et d'améliorer leur efficacité, nous avons développé des fusions CD1d alternatives. Premièrement, une protéine αGC/sCD1d dimérique, qui permet d'augmenter l'avidité de la molécule CD1d pour les cellules iNKT. Dans un deuxième temps, nous avons fusionné la protéine αGC/sCD1d avec un scFv dirigé contre le récepteur 3 du facteur de croissance pour l'endothélium vasculaire (VEGFR-3), afin de cibler l'environnement de la tumeur. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que la thérapie médiée par la protéine recombinante αGC/sCD1d-scFv est une approche prometteuse pour rediriger l'immunité innée et adaptive vers le site tumoral. - Invariant Natural Killer T cells (iNKT) are potent activators of Natural Killer (NK), dendritic cells (DC) and T lymphocytes, and their anti-tumor activities have been well demonstrated. However, a single injection of the high affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (αGC) leads to a strong but short-lived iNKT cell activation followed by a phase of long-term anergy, limiting the therapeutic use of this ligand. As a promising alternative, we have demonstrated that when αGC is loaded on recombinant soluble CD1d molecules (αGC/sCD1d), repeated injections in mice led to the sustained iNKT cell activation associated with continued cytokine secretion. Importantly, the retained reactivity of iNKT cell led to prolonged antitumor activity when the αGC/sCD1d was fused to an anti-tumor scFv fragments. Optimal inhibition of tumor growth was obtained only when mice were treated with the tumor-targeted αGC/CD1d-scFv fusion, whereas the irrelevant αGC/CD1d-scFv fusion was less efficient. When tested in a human system, the recombinant αGC/sCD1d-anti-HER2 and -anti-CEA fusion proteins were able to expand iNKT cells from PBMCs of healthy donors. Furthermore, the αGC/sCD1d-scFv fusion had the capacity to directly activate human iNKT cells clones without the presence of antigen-presenting cells (APCs), in contrast to the free αGC ligand. Most importantly, tumor cell killing by human iNKT cells was obtained only when co- incubated with the tumor targeted sCD1d-antitumor scFv, and their direct tumor cytotoxicity was superior to the bystander killing obtained with αGC-loaded APCs stimulation. To further enhance the anti-tumor effects, we exploited the ability of iNKT cells to transactivate the adaptive immunity, by combining the NKT/CD1d immunotherapy with a peptide cancer vaccine. Interestingly, synergistic effects were obtained when the αGC/sCD1d- anti-HER2 fusion treatment was combined with CpG ODN as adjuvant for the OVA peptide vaccine, as seen by higher numbers of activated antigen-specific CD8 T cells and NK cells, as compared to each regimen alone. The increased innate and adaptive immune responses upon combined tumor targeted sCD1d-scFv treatment and OVA/CpG vaccine were associated with a strong delay in B16-OVA-HER2 melanoma tumor growth, which correlated with an enrichment of antigen-specific CD8 cells at the tumor site. In order to extend the application of the CD1d fusion, we designed alternative CD1d fusion proteins. First, a dimeric αGC/sCD1d-Fc fusion, which permits to augment the avidity of the CD1d for iNKT cells and second, an αGC/sCD1d fused to an anti vascular endothelial growth factor receptor-3 (VEGFR-3) scFv, in order to target tumor stroma environment. Altogether, these results demonstrate that the iNKT-mediated immunotherapy via recombinant αGC/sCD1d-scFv fusion is a promising approach to redirect the innate and adaptive antitumor immune response to the tumor site.

Adaptive modelling, estimation and fusion from data: a neurofuzzy approach

In a world of almost permanent and rapidly increasing electronic data availability, techniques of filtering, compressing, and interpreting this data to transform it into valuable and easily comprehensible information is of utmost importance. One key topic in this area is the capability to deduce future system behavior from a given data input. This book brings together for the first time the complete theory of data-based neurofuzzy modelling and the linguistic attributes of fuzzy logic in a single cohesive mathematical framework. After introducing the basic theory of data-based modelling, new concepts including extended additive and multiplicative submodels are developed and their extensions to state estimation and data fusion are derived. All these algorithms are illustrated with benchmark and real-life examples to demonstrate their efficiency. Chris Harris and his group have carried out pioneering work which has tied together the fields of neural networks and linguistic rule-based algortihms. This book is aimed at researchers and scientists in time series modeling, empirical data modeling, knowledge discovery, data mining, and data fusion.

An early warning system for hypoglycemic/hyperglycemic events based on fusion of adaptive prediction models

Early warning of future hypoglycemic and hyperglycemic events can improve the safety of type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients. The aim of this study is to design and evaluate a hypoglycemia/hyperglycemia early warning system (EWS) for T1DM patients under sensor-augmented pump (SAP) therapy.

An Early-Warning System for Hypo-/Hyperglycemic Events Based on Fusion of Adaptive Prediction Models

Introduction: Early warning of future hypoglycemic and hyperglycemic events can improve the safety of type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients. The aim of this study is to design and evaluate a hypoglycemia / hyperglycemia early warning system (EWS) for T1DM patients under sensor-augmented pump (SAP) therapy. Methods: The EWS is based on the combination of data-driven online adaptive prediction models and a warning algorithm. Three modeling approaches have been investigated: (i) autoregressive (ARX) models, (ii) auto-regressive with an output correction module (cARX) models, and (iii) recurrent neural network (RNN) models. The warning algorithm performs postprocessing of the models′ outputs and issues alerts if upcoming hypoglycemic/hyperglycemic events are detected. Fusion of the cARX and RNN models, due to their complementary prediction performances, resulted in the hybrid autoregressive with an output correction module/recurrent neural network (cARN)-based EWS. Results: The EWS was evaluated on 23 T1DM patients under SAP therapy. The ARX-based system achieved hypoglycemic (hyperglycemic) event prediction with median values of accuracy of 100.0% (100.0%), detection time of 10.0 (8.0) min, and daily false alarms of 0.7 (0.5). The respective values for the cARX-based system were 100.0% (100.0%), 17.5 (14.8) min, and 1.5 (1.3) and, for the RNN-based system, were 100.0% (92.0%), 8.4 (7.0) min, and 0.1 (0.2). The hybrid cARN-based EWS presented outperforming results with 100.0% (100.0%) prediction accuracy, detection 16.7 (14.7) min in advance, and 0.8 (0.8) daily false alarms. Conclusion: Combined use of cARX and RNN models for the development of an EWS outperformed the single use of each model, achieving accurate and prompt event prediction with few false alarms, thus providing increased safety and comfort.

Development of a bifunctional CD1d-anti-HER2 scFv fusion molecule to redirect the iNKT cell-mediated immune response to the tumor site

Abstract : Invariant natural killer T lymphocytes (iNKT) are a unique subpopulation of T lymphocytes recognizing glycolipid antigens in the context of the MHC class I-like molecule CD1d. Upon activation with the high affinity ligand α-galactosylceramide (αGalCer), iNKT cells rapidly produce large amounts of the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFN-γ) and potently activate cells of the innate and adaptive immune response, such as dendritic cells (DCs), NK and T cells. In this context, iNKT cells have been shown to efficiently mediate antitumor activity, and recent research has focused on the manipulation of these cells for antitumor therapies. However, a major drawback of αGalCer as a free drug is that a single injection of this ligand leads to a short-lived iNKT cell activation followed by a long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrate here that when αGalCer is loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (αGalCer/sCD1d), repeated injections lead to a sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-γ secretion as well as with DC maturation. Most importantly, when the αGalCer/sCD1d is fused to an anti-HER2 scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established subcutaneous tumors is obtained when systemic treatment is started two to seven days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells, whereas at this time free αGalCer has no effect. The antitumor activity of the sCD1d-anti-HER2 fusion protein is associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK and T cells at the tumor site. Importantly, active T cell immunization combined with the sCD1d-anti-HER2 treatment leads to the accumulation of antigen-specific CD8 T cells exclusively in HER2-expressing tumors, resulting in potent tumor inhibition. In conclusion, sustained activation and tumor targeting of iNKT cells by recombinant αGalCer/sCD1d molecules thus may promote a combined innate and adaptive immune response at the tumor site that may prove to be effective in cancer immunotherapy. RESUME : Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines du complexe majeur d'histocompatibilité de classe I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. En revanche, l'étude présentée ici démontre que, si l'αGalCer est chargé sur des molécules récombinantes soluble CD1d (αGalCer/sCDld), des injections répétées aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si on fusionne la molécule αGalCer/sCD1d avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. De plus, une immunisation active combinée avec le traitement sCD1d-anti-HER2 aboutit à une accumulation des lymphocytes T CD8 spécifiques de l'antigène d'immunisation, ceci exclusivement dans des tumeurs qui expriment l'antigène HER2. Cette combinaison résulte dans une activité anti-tumeur accrue. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules recombinantes αGalCer/sCDld conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC : Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Sur un total de 58 millions de décès enregistrés au niveau mondial en 2005, 7,6 millions (soit 13%) étaient dus au cancer. Les principaux traitements de nombreux cancers sont la chirurgie, en association avec la radiothérapie et la chimiothérapie. Néanmoins, ces traitements nuisent aussi aux cellules normales de notre corps et parfois, ils ne suffisent pas pour éliminer définitivement une tumeur. L'immunothérapie est l'une des nouvelles approches pour la lutte contre le cancer et elle vise à exploiter la spécificité du système immunitaire qui peut distinguer des cellules normales et tumorales. Une cellule exprimant un marqueur tumoral (antigène) peut être reconnue par le système immunitaire humoral (anticorps) et/ou cellulaire, induisant une réponse spécifique contre la tumeur. L'immunothérapie peut s'appuyer alors sur la perfusion d'anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes tumoraux, par exemple les anticorps dirigés contre les protéines oncogéniques Her-2/neu dans le cancer du sein. Ces anticorps ont le grand avantage de spécifiquement se localiser à la tumeur et d'induire la lyse ou d'inhiber la prolifération des cellules tumorales exprimant l'antigène. Aujourd'hui, six anticorps monoclonaux non-conjugés sont approuvés en clinique. Cependant l'efficacité de ces anticorps contre des tumeurs solides reste limitée et les traitements sont souvent combinés avec de la chimiothérapie. L'immunothérapie spécifique peut également être cellulaire et exploiter par immunisation active le développement de lymphocytes T cytotoxiques (CTL) capables de détruire spécifiquement les cellules malignes. De telles «vaccinations »sont actuellement testées en clinique, mais jusqu'à présent elles n'ont pas abouti aux résultats satisfaisants. Pour obtenir une réponse lymphocytaire T cytotoxique antitumorale, la cellule T doit reconnaître un antigène associé à la tumeur, présenté sous forme de peptide dans un complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (CHM I). Cependant les cellules tumorales sont peu efficace dans la présentation d'antigène, car souvent elles se caractérisent par une diminution ou une absence d'expression des molécules d'histocompatibilité de classe I, et expriment peu ou pas de molécules d'adhésion et de cytokines costimulatrices. C'est en partie pourquoi, malgré l'induction de fortes réponses CTL spécifiquement dirigés contre des antigènes tumoraux, les régressions tumorales obtenus grâce à ces vaccinations sont relativement rares. Les lymphocytes «invariant Natural Killer T » (iNKT) forment une sous-population particulière de lymphocytes T reconnaissant des antigènes glycolipidiques présentés sur la molécule non-polymorphique CD1d, analogue aux protéines CMH I. Après activation avec le ligand de haute affinité α-galactosylceramide (αGalCer), les cellules iNKT produisent des grandes quantités de la cytokine pro-inflammatoire interferon gamma (IFN-γ) et activent les cellules du système immunitaire inné et acquis, telles que les cellules dendritiques (DC), NK et T. En conséquence, on a montré que les cellules iNKT exercent des activités anti-tumorales et la recherche s'est intéressée à la manipulation de ces cellules pour développer des thérapies anti-tumorales. Néanmoins, le désavantage majeur de l'αGalCer, injecté seul, est qu'une seule dose de ce ligand aboutit à une activation des cellules iNKT de courte durée suivie par un état anergique prolongé, limitant l'utilisation thérapeutique de ce glycolipide. Notre groupe de recherche a donc eu l'idée de développer une nouvelle approche thérapeutique où la réponse immunitaire des cellules iNKT serait prolongée et redirigée vers la tumeur par des anticorps monoclonaux. Concrètement, nous avons produit des molécules récombinantes soluble CD1d (sCD1d) qui, si elles sont chargés avec l'αGalCer (αGalCer/sCDld), aboutissent à une activation prolongée des cellules iNKT et NK associée avec la sécrétion d'IFN-γ et la maturation des cellules DC. Plus important, si la molécule αGalCer/sCD1d est fusionnée avec un fragment single-chain (scFv) de l'anticorps anti-HER2, la réponse immunitaire est redirigée à la tumeur pour autant que les cellules cancéreuses expriment l'antigène HER2. Les molécules αGalCer/sCDld ainsi présentées activent les lymphocytes iNKT. Avec cette stratégie, on observe une importante inhibition de métastases expérimentales aux poumons et de tumeurs sous-cutanées, même lorsque le traitement systémique est commencé 2 à 7 jours après la greffe des cellules de mélanome B16 transfectées avec l'antigène HER2. Dans les mêmes conditions le traitement avec l'αGalCer seul est inefficace. L'activité anti-tumorale de la protéine sCDld-anti-HER2 est associée à son accumulation spécifique dans des tumeurs exprimant le HER2 ainsi qu'avec une accumulation des cellules iNKT, NK et T à la tumeur. En conclusion, l'activation prolongée des cellules iNKT redirigées à la tumeur par des molécules récombinantes αGalCer/sCD1d conduit à l'activation de la réponse innée et adaptative au site tumoral, offrant une nouvelle stratégie prometteuse d'immunothérapie contre le cancer.

Sustained activation and tumor targeting of NKT cells using a CD1d-anti-HER2-scFv fusion protein induce antitumor effects in mice

Invariant NKT (iNKT) cells are potent activators of DCs, NK cells, and T cells, and their antitumor activity has been well demonstrated. A single injection of the high-affinity CD1d ligand alpha-galactosylceramide (alphaGalCer) leads to short-lived iNKT cell activation followed, however, by long-term anergy, limiting its therapeutic use. In contrast, we demonstrated here that when alphaGalCer was loaded on a recombinant soluble CD1d molecule (alphaGalCer/sCD1d), repeated injections led to sustained iNKT and NK cell activation associated with IFN-gamma secretion as well as DC maturation in mice. Most importantly, when alphaGalCer/sCD1d was fused to a HER2-specific scFv antibody fragment, potent inhibition of experimental lung metastasis and established s.c. tumors was obtained when systemic treatment was started 2-7 days after the injection of HER2-expressing B16 melanoma cells. In contrast, administration of free alphaGalCer at this time had no effect. The antitumor activity of the CD1d-anti-HER2 fusion protein was associated with HER2-specific tumor localization and accumulation of iNKT, NK, and T cells at the tumor site. Targeting iNKT cells to the tumor site thus may activate a combined innate and adaptive immune response that may prove to be effective in cancer immunotherapy

Fusion of Data from Quadcopter’s Inertial Measurement Unit Using Complementary Filter

A quadcopter is a helicopter with four rotors, which is mechanically simple device, but requires complex electrical control for each motor. Control system needs accurate information about quadcopter’s attitude in order to achieve stable flight. The goal of this bachelor’s thesis was to research how this information could be obtained. Literature review revealed that most of the quadcopters, whose source-code is available, use a complementary filter or some derivative of it to fuse data from a gyroscope, an accelerometer and often also a magnetometer. These sensors combined are called an Inertial Measurement Unit. This thesis focuses on calculating angles from each sensor’s data and fusing these with a complementary filter. On the basis of literature review and measurements using a quadcopter, the proposed filter provides sufficiently accurate attitude data for flight control system. However, a simple complementary filter has one significant drawback – it works reliably only when the quadcopter is hovering or moving at a constant speed. The reason is that an accelerometer can’t be used to measure angles accurately if linear acceleration is present. This problem can be fixed using some derivative of a complementary filter like an adaptive complementary filter or a Kalman filter, which are not covered in this thesis.

Information Exchange and Fusion in Dynamic and Heterogeneous Distributed Environments

Context awareness, dynamic reconfiguration at runtime and heterogeneity are key characteristics of future distributed systems, particularly in ubiquitous and mobile computing scenarios. The main contributions of this dissertation are theoretical as well as architectural concepts facilitating information exchange and fusion in heterogeneous and dynamic distributed environments. Our main focus is on bridging the heterogeneity issues and, at the same time, considering uncertain, imprecise and unreliable sensor information in information fusion and reasoning approaches. A domain ontology is used to establish a common vocabulary for the exchanged information. We thereby explicitly support different representations for the same kind of information and provide Inter-Representation Operations that convert between them. Special account is taken of the conversion of associated meta-data that express uncertainty and impreciseness. The Unscented Transformation, for example, is applied to propagate Gaussian normal distributions across highly non-linear Inter-Representation Operations. Uncertain sensor information is fused using the Dempster-Shafer Theory of Evidence as it allows explicit modelling of partial and complete ignorance. We also show how to incorporate the Dempster-Shafer Theory of Evidence into probabilistic reasoning schemes such as Hidden Markov Models in order to be able to consider the uncertainty of sensor information when deriving high-level information from low-level data. For all these concepts we provide architectural support as a guideline for developers of innovative information exchange and fusion infrastructures that are particularly targeted at heterogeneous dynamic environments. Two case studies serve as proof of concept. The first case study focuses on heterogeneous autonomous robots that have to spontaneously form a cooperative team in order to achieve a common goal. The second case study is concerned with an approach for user activity recognition which serves as baseline for a context-aware adaptive application. Both case studies demonstrate the viability and strengths of the proposed solution and emphasize that the Dempster-Shafer Theory of Evidence should be preferred to pure probability theory in applications involving non-linear Inter-Representation Operations.

Results of applying sensor fusion to a control system using optic flow

The results from applying a sensor fusion process to an adaptive controller used to balance all inverted pendulum axe presented. The goal of the sensor fusion process was to replace some of the four mechanical measurements, which are known to be sufficient inputs for a linear state feedback controller to balance the system, with optic flow variables. Results from research into the psychology of the sense of balance in humans were the motivation for the investigation of this new type of controller input. The simulated model of the inverted pendulum and the virtual reality environments used to provide the optical input are described. The successful introduction of optical information is found to require the preservation of at least two of the traditional input types and entail increased training till-le for the adaptive controller and reduced performance (measured as the time the pendulum remains upright)

Immunogenic properties of a recombinant fusion protein containing the C-terminal 19 kDa of Plasmodium falciparum merozoite surface protein-1 and the innate immunity agonist FliC flagellin of Salmonella Typhimurium

In a recent study, we demonstrated the immunogenic properties of a new malaria vaccine polypeptide based on a 19 kDa C-terminal fragment of the merozoite surface protein-1 (MSP1(19)) from Plasmodium vivax and an innate immunity agonist, the Salmonella enterica serovar Typhimurium flagellin (FliC). Herein, we tested whether the same strategy, based on the MSP1(19) component of the deadly malaria parasite Plasmodium falciparum, could also generate a fusion polypeptide with enhanced immunogenicity. The His(6)FliC-MSP1(19) fusion protein was expressed from a recombinant Escherichia coil and showed preserved in vitro TLR5-binding activity. In contrast to animals injected with His(6)MSP1(19), mice subcutaneously immunised with the recombinant His6FliC-MSP1(19) developed strong MSP1(19)-specific systemic antibody responses with a prevailing IgG1 subclass. Incorporation of other adjuvants, such as CpG ODN 1826, complete and incomplete Freund`s adjuvants or Quil-A, improved the IgG responses after the second, but not the third, immunising dose. It also resulted in a more balanced IgG subclass response, as evaluated by the IgG1/IgG2c ratio, and higher cell-mediated immune response, as determined by the detection of antigen-specific interferon-gamma secretion by immune spleen cells. MSP(19)-specific antibodies recognised not only the recombinant protein, but also the native protein expressed on the surface of P. falciparum parasites. Finally, sera from rabbits immunised with the fusion protein alone inhibited the in vitro growth of three different P. falciparum strains. In summary, these results extend our previous observations and further demonstrate that fusion of the innate immunity agonist FliC to Plasmodium antigens is a promising alternative to improve their immunogenicity. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Multi-Model Data Fusion to Improve an Early Warning System for Hypo-/Hyperglycemic Events

Correct predictions of future blood glucose levels in individuals with Type 1 Diabetes (T1D) can be used to provide early warning of upcoming hypo-/hyperglycemic events and thus to improve the patient's safety. To increase prediction accuracy and efficiency, various approaches have been proposed which combine multiple predictors to produce superior results compared to single predictors. Three methods for model fusion are presented and comparatively assessed. Data from 23 T1D subjects under sensor-augmented pump (SAP) therapy were used in two adaptive data-driven models (an autoregressive model with output correction - cARX, and a recurrent neural network - RNN). Data fusion techniques based on i) Dempster-Shafer Evidential Theory (DST), ii) Genetic Algorithms (GA), and iii) Genetic Programming (GP) were used to merge the complimentary performances of the prediction models. The fused output is used in a warning algorithm to issue alarms of upcoming hypo-/hyperglycemic events. The fusion schemes showed improved performance with lower root mean square errors, lower time lags, and higher correlation. In the warning algorithm, median daily false alarms (DFA) of 0.25%, and 100% correct alarms (CA) were obtained for both event types. The detection times (DT) before occurrence of events were 13.0 and 12.1 min respectively for hypo-/hyperglycemic events. Compared to the cARX and RNN models, and a linear fusion of the two, the proposed fusion schemes represents a significant improvement.

N-terminal fusion of a toll-like receptor 2-ligand to a Neospora caninum chimeric antigen efficiently modifies the properties of the specific immune response

Immunoprophylactic products against neosporosis during pregnancy should induce an appropriately balanced immune response. In this respect, OprI, a bacterial lipoprotein targeting toll like receptor (TLR)2, provides promising adjuvant properties. We report on the manipulation of the innate and the T-cell immune response through the fusion of OprI with the Neospora caninum chimeric protein Mic3-1-R. In contrast to Mic3-1-R, OprI-MIC3-1-R significantly activated bone-marrow dendritic cells from naïve mice. Mice immunized with OprI-Mic3-1-R induced an immune response with mixed T helper (Th)1 and Th2 properties (high levels of both immunoglobulin (Ig)G1 and IgG2a and of interleukin (IL)-10, IL-12(p70) and interferon-γ responses) whereas Mic3-1-R+saponin induced a clear Th2-biased response (low IgG2a and high IL-4 and IL-10). After mating and challenge with N. caninum, increased expression of interferon-γ was only found in placentas from OprI-Mic3-1-R immunized dams. However, no protection against vertical transmission and neonatal mortality was observed in either of the two groups. These results indicated that more exhaustive studies must be done to elucidate the immune mechanisms associated with transplacental transmission. Antigen linkage to TLR2-ligands, such as OprI, is a useful tool to investigate this enigma by reorienting the innate and adaptive immune responses against other candidate antigens in future studies.

High level data fusion

We address the question of how to obtain effective fusion of identification information such that it is robust to the quality of this information. As well as technical issues data fusion is encumbered with a collection of (potentially confusing) practical considerations. These considerations are described during the early chapters in which a framework for data fusion is developed. Following this process of diversification it becomes clear that the original question is not well posed and requires more precise specification. We use the framework to focus on some of the technical issues relevant to the question being addressed. We show that fusion of hard decisions through use of an adaptive version of the maximum a posteriori decision rule yields acceptable performance. Better performance is possible using probability level fusion as long as the probabilities are accurate. Of particular interest is the prevalence of overconfidence and the effect it has on fused performance. The production of accurate probabilities from poor quality data forms the latter part of the thesis. Two approaches are taken. Firstly the probabilities may be moderated at source (either analytically or numerically). Secondly, the probabilities may be transformed at the fusion centre. In each case an improvement in fused performance is demonstrated. We therefore conclude that in order to obtain robust fusion care should be taken to model the probabilities accurately; either at the source or centrally.

Infrared image enhancement based on hybrid-domain consideration and data fusion methods

Au cours des dernières décennies, l’effort sur les applications de capteurs infrarouges a largement progressé dans le monde. Mais, une certaine difficulté demeure, en ce qui concerne le fait que les objets ne sont pas assez clairs ou ne peuvent pas toujours être distingués facilement dans l’image obtenue pour la scène observée. L’amélioration de l’image infrarouge a joué un rôle important dans le développement de technologies de la vision infrarouge de l’ordinateur, le traitement de l’image et les essais non destructifs, etc. Cette thèse traite de la question des techniques d’amélioration de l’image infrarouge en deux aspects, y compris le traitement d’une seule image infrarouge dans le domaine hybride espacefréquence, et la fusion d’images infrarouges et visibles employant la technique du nonsubsampled Contourlet transformer (NSCT). La fusion d’images peut être considérée comme étant la poursuite de l’exploration du modèle d’amélioration de l’image unique infrarouge, alors qu’il combine les images infrarouges et visibles en une seule image pour représenter et améliorer toutes les informations utiles et les caractéristiques des images sources, car une seule image ne pouvait contenir tous les renseignements pertinents ou disponibles en raison de restrictions découlant de tout capteur unique de l’imagerie. Nous examinons et faisons une enquête concernant le développement de techniques d’amélioration d’images infrarouges, et ensuite nous nous consacrons à l’amélioration de l’image unique infrarouge, et nous proposons un schéma d’amélioration de domaine hybride avec une méthode d’évaluation floue de seuil amélioré, qui permet d’obtenir une qualité d’image supérieure et améliore la perception visuelle humaine. Les techniques de fusion d’images infrarouges et visibles sont établies à l’aide de la mise en oeuvre d’une mise en registre précise des images sources acquises par différents capteurs. L’algorithme SURF-RANSAC est appliqué pour la mise en registre tout au long des travaux de recherche, ce qui conduit à des images mises en registre de façon très précise et des bénéfices accrus pour le traitement de fusion. Pour les questions de fusion d’images infrarouges et visibles, une série d’approches avancées et efficaces sont proposés. Une méthode standard de fusion à base de NSCT multi-canal est présente comme référence pour les approches de fusion proposées suivantes. Une approche conjointe de fusion, impliquant l’Adaptive-Gaussian NSCT et la transformée en ondelettes (Wavelet Transform, WT) est propose, ce qui conduit à des résultats de fusion qui sont meilleurs que ceux obtenus avec les méthodes non-adaptatives générales. Une approche de fusion basée sur le NSCT employant la détection comprime (CS, compressed sensing) et de la variation totale (TV) à des coefficients d’échantillons clairsemés et effectuant la reconstruction de coefficients fusionnés de façon précise est proposée, qui obtient de bien meilleurs résultats de fusion par le biais d’une pré-amélioration de l’image infrarouge et en diminuant les informations redondantes des coefficients de fusion. Une procédure de fusion basée sur le NSCT utilisant une technique de détection rapide de rétrécissement itératif comprimé (fast iterative-shrinking compressed sensing, FISCS) est proposée pour compresser les coefficients décomposés et reconstruire les coefficients fusionnés dans le processus de fusion, qui conduit à de meilleurs résultats plus rapidement et d’une manière efficace.

Information Fusion for Anomaly Detection with the Dendritic Cell Algorithm

Dendritic cells are antigen presenting cells that provide a vital link between the innate and adaptive immune system, providing the initial detection of pathogenic invaders. Research into this family of cells has revealed that they perform information fusion which directs immune responses. We have derived a Dendritic Cell Algorithm based on the functionality of these cells, by modelling the biological signals and differentiation pathways to build a control mechanism for an artificial immune system. We present algorithmic details in addition to experimental results, when the algorithm was applied to anomaly detection for the detection of port scans. The results show the Dendritic Cell Algorithm is successful at detecting port scans.