Small concentrations of graphene can significantly alter the phase behavior and the mechanical and electrical characteristics of polymeric materials. In this Masters thesis, we present results from a hierarchical simulation methodology that leads to the prediction of the thermodynamic, conformational, structural, dynamic and mechanical properties of polymer nanocomposites. As a model system, we have chosen syndiotactic poly(methyl methacrylate) or sPMMA reinforced with uniformly dispersed graphene sheets. How graphene functionalization affects the elastic constants of the resulting nanocomposite is also examined. The simulation strategy entails three steps: 1) Generation of an initial structure which is subjected to potential energy minimization and detailed molecular dynamics (MD) simulations at T=500K and P=1atm, to obtain well relaxed melt configurations of the nanocomposite and to extract any interested properties. Furthermore, for the sPMMA/graphene nanocomposite: 2) Gradual cooling of selected configurations down to room temperature to obtain a good number of structures representative of its glassy phase, and 3) Molecular mechanics (MM) calculations of its mechanical properties following the method originally proposed by Theodorou and Suter. The MD simulations have been executed with the LAMMPS code using the all-atom DREIDING force-field. By analyzing MD trajectories under constant temperature and pressure, all nanocomposite systems were found to exhibit slower terminal and segmental dynamics than the unfilled ones. The addition of a small fraction of graphene sheets in the polymer matrix led to the enhancement of its elastic constants especially when functionalized graphene sheets were used. / Μικρές συγκεντρώσεις γραφενίου μπορούν να τροποποιήσουν σημαντικά τη φασική συμπεριφορά και τα μηχανικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πολυμερικών υλικών. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζουμε αποτελέσματα από μία ιεραρχική μεθοδολογία προσομοίωσης που οδηγεί στη πρόβλεψη των θερμοδυναμικών, δομικών, δυναμικών και μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικών νανοσύνθετων υλικών. Σαν σύστημα μοντελοποίησης, επιλέξαμε τον συνδιοτακτικό πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα, syndiotactic poly(methyl methacrylate), ή sPMMA, ενισχυμένο με ομοιόμορφα διεσπαρμένα φύλλα γραφενίου. Επίσης εξετάζεται και το πώς η χημική τροποποίηση του γραφενίου επηρεάζει τις ελαστικές ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού. Η στρατηγική της προσομοίωσης των συστημάτων συνοψίζεται σε τρία βήματα: 1) Δημιουργία αρχικών απεικονίσεων οι οποίες υποβάλλονται σε ελαχιστοποίηση της δυναμικής τους ενέργειας και στη συνέχεια σε λεπτομερείς προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (MD) σε T=500K και P=1atm, ώστε να εξαγάγουμε πλήρως χαλαρωμένες διαμορφώσεις τήγματος του νανοσύνθετου υλικού και να υπολογίσουμε ιδιότητες που μας ενδιαφέρουν. Επιπλέον για τα νανοσύνθετα υλικά sPMMA/γραφενίου συνεχίζουμε με 2) Σταδιακή ψύξη επιλεγμένων ατομιστικών διαμορφώσεων σε θερμοκρασία δωματίου με σκοπό την εξαγωγή ενός ικανοποιητικού αριθμού δομών, αντιπροσωπευτικών της υαλώδους φάσης τους, και 3) Εφαρμογή της μεθόδου της Μοριακής Μηχανικής (MM) για τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων τους ακολουθώντας τη μέθοδο που προτάθηκε από τους Θεοδώρου και Suter. Οι προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του κώδικα LAMMPS, εφαρμόζοντας το DREIDING πεδίο-δυνάμεων και υιοθετόντας το μοντέλο των διακριτών ατόμων για την περιγραφή των ατομιστικών αλληλεπιδράσεων των συστημάτων. Αναλύοντας τις τροχιές των ατόμων από τις προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής υπό σταθερή θερμοκρασία και πίεση, τα υπό μελέτη νανοσύνθετα συστήματα βρέθηκαν να παρουσιάζουν βραδύτερη ολική και τοπική δυναμική σε σχέση με το καθαρό πολυμερές. Η προσθήκη μικρών κλασμάτων φύλλων γραφενίου στην πολυμερική μήτρα οδήγησε στην ενίσχυση των ελαστικών ιδιοτήτων της και σε μία περαιτέρω βελτίωση αυτών, όταν χρησιμοποιήθηκαν χημικώς τροποιημένα φύλλα γραφενίου.

Η μοριακή αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός πολύπλοκων μορίων που περιέχουν φουλλερένια αντιπροσωπεύει ένα πεδίο της υπερμοριακής επιστήμης στο οποίο προσφάτως αναπτύσσεται έντονη ερευνητική δραστηριότητα. Η κατάλληλη «χημική τροποποίηση του φουλλερένιου» έχει οδηγήσει στον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας υγροκρυσταλλικών παραγώγων του. Στην παρούσα διατριβή, με την εισαγωγή μιας απλής μοριακής θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας και με υπολογιστικές προσομοιώσεις, προσπαθούμε να συνδέσουμε την αυτοοργάνωση που εκδηλώνουν αυτά τα συστήματα με την μοριακή τους δομή και τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις. Στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια αναδρομή στο μόριο φουλλερένιο και στις χημικές δομές αυτού, που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε σχέση με υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Παρουσιάζουμε εν συντομία, με μια φαινομενολογική περιγραφή και ταξινόμηση, τις υγροκρυσταλλικές φάσεις που θα συναντήσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, αναφερόμαστε στις μεθόδους που χρησιμοποιούμε για τη θεωρητική μελέτη φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η στατιστική μηχανική και θερμοδυναμική εύκαμπτων μεγαλομοριακών συστημάτων. Προχωράμε στη διατύπωση της ακριβούς έκφασης της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz στην κανονική συλλογή (NVT) για ένα μονοσυστατικό σύστημα εύκαμπτων μεγαλομορίων. Εισάγουμε την προσέγγιση των αλληλομετατρεπόμενων μοριακών «σχημάτων», ομαδοποιώντας τις μοριακές διαμορφώσεις σε έναν ορισμένο αριθμό «σχημάτων», ορίζουμε τη συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου και αναπτύσσουμε την ελεύθερη ενέργεια σε σειρά χρησιμοποιώντας τη θεωρία των μεταβολών. Λαμβάνουμε μια προσεγγιστική έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια κρατώντας τους όρους που προέρχονται από δυάδες ταυτόχρονα αλληλεπιδρώντων μορίων, αγνοώντας τους υπόλοιπους όρους. Δίνουμε τις αντίστοιχες εκφράσεις ανάλογα με τις συμμετρίες της υγρο-κρυσταλλικής φάσης, για τη μελέτη μοριακών συστημάτων των οποίων τα μόρια μπορούν να λαμβάνουν διάφορα σχήματα. Αναπτύσσουμε τις θερμοδυναμικές εκφράσεις για την περιγραφή των μετατροπών φάσης. Να σημειώσουμε ότι η συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου είναι γινόμενο δύο παραγώντων: ο πρώτος όρος σχετίζεται με την πιθανότητα εύρεσης του απομονωμένου μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και ο δεύτερος με την πιθανότητα εύρεσης του μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και διευθέτηση στο υλικό. Γενικεύουμε την παραπάνω μεθοδολογία, στη μελέτη συστημάτων που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα είδη εύκαμπτων μορίων. Στο τρίτο κεφάλαιο εφαρμόζουμε την θεωρία των αλληλομετατρεπόμενων σχημάτων, για τη μελέτη της φασικής συμπεριφοράς τηγμάτων αδροποιημένων φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Κάθε μόριο φουλλερενικού υγρού κρύσταλλου (ΥΚ) υποδιαιρείται σε έναν αριθμό τμημάτων ορισμένου τύπου. Εισάγουμε τρείς τύπους τμημάτων που αντιστοιχούν σε φουλλερενικές μονάδες, σε μεσογόνες μονάδες και σε μη μεσογόνες ή συνδετικές ομάδες. Η διαμοριακή αλληλεπίδραση υπολογίζεται με άθροιση επάνω σε όλα τα δυνατά ζεύγη τμημάτων μεταξύ δύο μορίων. Η κίνηση και η περιστροφή των μορίων θεωρούμε ότι πραγματοποιείται σε ένα κυβικό πλέγμα, και η μοριακή ευκαμψία εισάγεται επιπτρέποντας να λαμβάνουν έναν ελάχιστο αριθμό αντιπροσωπευτικών μοριακών σχημάτων, στο πλαίσιο της αναπαράστασής τους στο κυβικό πλέγμα. Πραγματοποιούνται υπολογισμοί για μια ποικιλία μοριακών αρχιτεκτονικών, που περιλαμβάνουν φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους μεσογόνους βραχίονες, φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους δενδριτικούς βραχίονες, και κωνικούς ή πυραμιδικούς φουλλερενικούς ΥΚ με απευθείας συνδεδεμένα μεσογόνα στην επιφάνεια του φουλλερένιου. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί αναπαράγουν σε εντυπωσιακά καλή συμφωνία τον υγροκρυσταλλικό πολυμορφισμό; τα σύνορα ευστάθειας των υγροκρυσταλλικών φάσεων, καθώς και η μοριακή οργάνωση σε αυτά, κατανοούνται με όρους διαμοριακών αλληλεπιδράσεων και μοριακής ευκαμψίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνούμε την φασική συμπεριφορά μιγμάτων άκαμπτων σωματιδίων. Τα σωματίδια κινούνται και περιστρέφονται σε ένα κυβικό πλέγμα. «Χτίζονται» από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων όπου καθένα έχει το μέγεθος μιας πλεγματικής κυψελίδας του κυβικού πλέγματος. Αρχικά, εξετάζουμε μίγματα αδροποιημένων φουλλερένιων (που καταλαμβάνουν μια πλεγματική κυψελίδα) με ραβδόμορφα και αλληλεπιδρούν με «σκληρές» αλληλεπιδράσεις. Διερευνούμε την εκδήλωση σμηκτικής, νηματικής ή ισότροπης συμπεριφοράς για κάθε συστατικό. Βρίσκουμε ότι εμφανίζουν σύνθετη φασική συμπεριφορά που συνίσταται στην συνύπαρξη δύο ή περισσοτέρων φάσεων εκ των οποίων μια τουλάχιστον είναι υγροκρυσταλλική (νηματική ή σμηκτική). Η σμηκτική φάση αποτελείται από διαδοχικά στρώματα ράβδων που εναλλάσσονται από υποστρώματα φουλλερένιων. Ελέγχουμε την αξιοπιστία της θεωρίας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε με την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε θεωρητικά αποτελέσματα για παρόμοια συστήματα. Διαπιστώνουμε συμφωνία ως προς την φασική συμπεριφορά και την οργάνωση μέσα στην σμηκτική φάση και προχωράμε σε προβλέψεις. Διερευνούμε τον ρόλο της «μη φιλικότητας» των σωματιδίων στην φασική συμπεριφορά, ενισχύοντας την «φοβικότητα» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων (μέσω τροποιήσης του διασωματιδιακού δυναμικού αλληλεπίδρασης). Οι υγροκρυσταλλικές φάσεις τότε μπορούν να «υποστηρίξουν» μικρότερες ποσότητες φουλλερενίων, ενώ η σμηκτική φάση (με υποστρώματα φουλλερενίων) καθίσταται ευσταθής σε μια στενή περιοχή του διαγράμματος φάσης πίεσης - συγκέντρωσης. Στην συνέχεια εξετάσαμε μίγματα δισκόμορφων σωματιδίων και φουλλερένιων και την σχετική ευστάθεια στην εκδήλωση ισότροπης, νηματικής, σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με «σκληρό» δυναμικό ενώ στην συνέχεια, εξετάζουμε και την επίδραση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων στη φασική συμπεριφορά. Η σμηκτική φάση είναι απούσα σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσαμε; παρατηρούμε θερμοδυναμικά ευσταθείς κιονική και νηματική. Και πάλι διαπιστώνουμε ότι η ενίσχυση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων έχει σαν αποτέλεσμα στις υγροκρυσταλλικές φάσεις να αναμιγνύονται μικρότερες ποσότητες φουλλερένιων. Για λόγους πληρότητας σε σχέση με τα παραπάνω συστήματα, εξετάσαμε μίγματα σωματιδίων από συστατικά που το καθένα μπορεί να εκδηλώσει ΥΚ συμπεριφορά, δηλαδή μίγματα δισκόμορφων με ραβδόμορφα σωματίδια. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν αποκλειστικά με «σκληρό» δυναμικό. Λαμβάνουμε ποιοτικά αποδεκτά αποτελέσματα όσον αφορά την τοπολογία του διαγράμματος φάσης στην περιοχή συνύπαρξης νηματικής καλαμιτικής και νηματικής δισκοτικής φάσης. Επιπρόσθετα προβλέπουμε την συνύπαρξη νηματικής καλαμιτικής με κιονική φάση. Τα αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου μπορούν να χρησιμεύσουν για την μελέτη περισσότερο πολύπλοκων συστημάτων, που θα περιλαμβάνουν μόρια τα οποία μπορούν να λάβουν περισσότερες από μια διαμόρφωση, και διαφορετική παραμετρικοποίηση στα δυναμικά αλληλεπίδρασης. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά αδροποιημένων φουλλερενικών ΥΚ που περιλαμβάνουν δενδριμερή τύπου Percec. Τήγματα των παραπάνω φουλλερενικών ΥΚ εκδηλώνουν κιονική φάση. Στη μοντελοποίηση των μορίων ομαδοποιούμε τις μοριακές διαμορφώσεις σε ένα μοριακό σχήμα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιούνται σε ένα κυβικό πλέγμα. Τα μόρια αποτελούνται από ένα φουλλερένιο (που καταλαμβάνει ένα τμήμα -μια πλεγματική κυψελίδα- ) και από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, για την περιγραφή του δενδριτικού μέρους του μορίου. Σε μια ευρεία περιοχή των υπολογισμένων, με τη μοριακή θεωρία, διαγραμμάτων φάσης εκδηλώνουν κιονική συμπεριφορά; τα μόρια στην κιονική φάση αυτοσυναρμολογούνται σε δισκόμορφες πεπλατυσμένες υπερμοριακές δομές οι οποίες με την σειρά τους τοποθετούνται η μια πάνω στην άλλη σχηματίζοντας κίονες. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε ποιοτική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα ανάλογων συστημάτων. Μεταβάλλοντας τη «φοβικότητα» φουλλερένιων - δενδριτικών τμημάτων παρατηρούμε την εμφάνιση δύο σμηκτικών φάσεων που διαφέρουν στον βαθμό αλληλοδιείσδυσης των δενδριτικών μερών μέσα στο σμηκτικό στρώμα. Στην συνέχεια εξετάσαμε την επίδραση που έχει στη φασική συμπεριφορά αυτών των τηγμάτων φουλλερενικών ΥΚ η προσθήκη φουλλερένιων. Η οργανωμένη κιονική φάση του μίγματος μπορεί να υποστηρίξει μικρές ποσότητες «ελεύθερων» φουλλερενίων τα οποία διατάσσονται γύρω από τους άξονες των κιόνων. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά μονοσυστατικών κωνικών (ή πυραμιδικών) φουλλερενικών ΥΚ με την εκτέλεση μοριακών προσομοιώσεων Monte Carlo (NVT) σε κυβικό πλέγμα. Αρχικά, εκτελούμε μοριακές προσομοιώσεις αθερμικoύ σύστηματος (με διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στερικής άπωσης) για μια σειρά πυκνοτήτων και διαπιστώνουμε ότι το σύστημα μεταβαίνει από μια κιονική φάση στην ισότροπη. Στην συνέχεια θέτουμε την παραμετρικοποίηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων ίδια με εκείνη των αντίστοιχων μοριακών συστημάτων που μελετήσαμε με θεωρία στο τρίτο κεφάλαιο. Εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά του συστήματος σε ορισμένη πυκνότητα, για μια σειρά θερμοκρασιών. Παρατηρούμε ότι εμφανίζεται μια μετατροπή φάσης, ισότροπης σε μια απολική τετραγωνική κιονική φάση τόσο κατά την ψύξη όσο και κατά την θέρμανση. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λαμβάνουμε δεν μπορούν να συγκριθούν με το πλήρες θεωρητικό διάγραμμα που παρέχει η μοριακή θεωρία για αυτά τα συστήματα, επειδή στις μοριακές προσομοιώσεις που εκτελέσαμε εστιάσαμε σε ορισμένη πυκνότητα. Επιτυγχάνεται ποιοτική συμφωνία ως προς την πρόβλεψη εμφάνισης κιονικής φάσης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα της διατριβής. / The covalent linkage of [C60] fullerene to liquid crystalline (LC) chemical compounds has produced a great variety of non-conventional liquid crystals. Herein, we introduce a coarse grained description for the molecular modeling of these systems which takes into account the elements of primary importance for their mesomorphic behavior: the global molecular shape, the molecular flexibility and the submolecular partitioning into chemically distinct regions. A simple molecular theory and computer simulations studies are used to relate the self-organization exhibited by these systems to their molecular structure. The molecules are constructed by a number of submolecular blocks to which specific block-block interactions are assigned. We have introduced three different types of blocks: fullerene units, mesogenic units and non-mesogenic units (i.e. flexible spacers and linkage groups). The total interaction of the molecular ensemble is then built up as a combination of all block - block interactions within the ensemble. For reasons of simplicity, the molecules are constrained to move and rotate in a cubic lattice. The theoretical calculations are initially applied to a variety of mono dispersed fullerene containing LCs, including: twin mesogenic branch monoadducts of C60, twin dendromesogenic branch monoadducts of C60, simple dendromesogenic branch monoadducts and conical (badminton shuttlecock) multiadducts of C60. The latter system is also studied by computer simulations. In spite of its many simplifications, the coarse-grained molecular model accounts remarkably well for the phase polymorphism of these systems and offers valuable insights into the conformational aspects of the phase transitions. Keeping the simplicity of the above modeling, the phase behavior of binary mixtures of "fullerene" with anisotropic particle (rodlike or disklike) and binary mixtures of rodlike and disklike particles is also studied. We compare the predicted phase behavior with the existing theoretical (hard rodlike and disklike particles) and experimental (colloidal systems) results. Finally attempts are made to study how the molecular organization of mono dispersed fullerene containing LC systems is influenced by the addition of non-bonded fullerenes. The theoretical approach is quite general and can be applied to a variety of systems such as, liquid crystalline dendrimers and mixtures of colloidal particles.

Η διατήρηση της μικροβιολογικής ποιότητας του υδάτινου περιβάλλοντος είναι υψίστης σημασίας δεδομένων των κινδύνων που ενέχονται για τη δημόσια υγεία. Η αξιολόγηση της μικροβιολογικής ποιότητας των υδάτων πραγματοποιείται με την ανίχνευση της κοπρανώδους μόλυνσης και με τον έλεγχο της παρουσίας και συγκέντρωσης συγκεκριμένων μικροοργανισμών – δεικτών, όπως είναι η Escherichia coli. Ωστόσο, η απλή ανίχνευση κοπρανώδους μόλυνσης δεν επαρκεί για την υπόδειξη τρόπων εξυγίανσης και αντιμετώπισης του εκάστοτε προβλήματος. Οι δύο κύριες ομάδες στις οποίες διακρίνεται η κοπρανώδης μόλυνση είναι η ανθρώπινη και η ζωική, οι οποίες υποδηλώνουν πιθανή παρουσία διαφορετικών κάθε φορά παθογόνων μικροοργανισμών για τον άνθρωπο. Έτσι, προκειμένου να οριοθετηθεί ο κίνδυνος για τη δημόσια υγεία και να καθοριστούν μέτρα αντιμετώπισης της μόλυνσης ενδείκνυται ο προσδιορισμός της ανθρώπινης ή ζωικής προέλευσης της κοπρανώδους μόλυνσης. Στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκαν, εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν οι μέθοδοι: α)Έλεγχος πολλαπλής ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά (Multiple Antibiotic Resistance – MAR – φαινοτυπική μέθοδος) και β) PCR με τυχαία ενισχυμένα τμήματα πολυμορφικού DNA - Random Amplified Polymorphic DNA-PCR (RAPD-PCR – γονοτυπική μέθοδος), ως τεχνικές προσδιορισμού και διάκρισης προέλευσης μικροοργανισμών. Κατά το πρώτο στάδιο καθορίστηκαν οι παράμετροι των μεθόδων για το διαχωρισμό στελεχών E. coli γνωστής προέλευσης (60 στελέχη απομονωμένα από ζωικά κόπρανα και 68 στελέχη από ανθρώπινα). Για το διαχωρισμό και κατηγοριοποίηση των στελεχών εφαρμόστηκαν η Ιεραρχική Ανάλυση Κατά Συστάδες και η Διαχωριστική Ανάλυση. Με τη MAR ανάλυση τα στελέχη E. coli εμφάνισαν διαφορετικούς συνδυασμούς ανθεκτικότητας και διαχωρίστηκαν βάσει της προέλευσής τους με μέσο ποσοστό σωστής ταξινόμησης (ARCC) 99,2%. Με την RAPD-PCR χρησιμοποιήθηκαν δύο εκκινητές ξεχωριστά (1254 & 1290) και τα 128 στελέχη E. coli γνωστής προέλευσης διαχωρίστηκαν σε ανθρώπινης και ζωικής πηγής με ARCC 98,4% και με τους δύο εκκινητές. Η διακριτική ικανότητα της RAPD-PCR με τους δύο εκκινητές ήταν D1254=0,97 & D1290=0,90. Επιπλέον, η αξιολόγηση της επαναληψιμότητας της RAPD-PCR και με τους δύο εκκινητές έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα με την εμφάνιση ίδιων ηλεκτροφορητικών εικόνων για τα ίδια βακτηριακά στελέχη. Στη συνέχεια οι επιλεγμένες τεχνικές εφαρμόστηκαν για την ταξινόμηση και κατηγοριοποίηση στελεχών E. coli άγνωστης προέλευσης εκτιμώντας την ανθρώπινη ή ζωική πηγή τους βάσει του μοντέλου διαχωρισμού των E. coli γνωστής προέλευσης. Οι E. coli άγνωστης προέλευσης (234 στελέχη) απομονώθηκαν από δείγματα πόσιμου νερού δικτύου από 11 περιοχές και δείγματα μη επεξεργασμένων λυμάτων από τις εισόδους τεσσάρων σταθμών βιολογικού καθαρισμού (ΚΕΡΕΦΥΤ – Νομός Αττικής, ΨΥΤΤΑΛΕΙΑ – Νομός Αττικής, ΡΙΟ – Νομός Αχαΐας και ΠΑΤΡΑ - Νομός Αχαΐας). Τα 234 στελέχη με τη MAR ανάλυση ταξινομήθηκαν ως ανθρώπινα και ζωικά σε ποσοστά 46,6% και 53,4% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα ταξινόμησης ήταν διαφορετικά με τη μέθοδο RAPD-PCR. Με τον εκκινητή 1254 τα άγνωστα στελέχη προσδιορίστηκαν ως ανθρώπινα κατά το 64,9% και ως ζωικά κατά το 35,1%. Αντίστοιχα, με τον εκκινητή 1290 τα ποσοστά ήταν 60,3% ανθρώπινα και 39,7% ζωικά. Τα στελέχη του πόσιμου νερού που προέρχονταν από τους σταθμούς δειγματοληψίας που ήταν αστικά κέντρα χαρακτηρίστηκαν εξ ολοκλήρου ως ανθρώπινης προέλευσης. Αντίθετα, στις περιοχές δειγματοληψίας με ανεπτυγμένη κτηνοτροφία βρέθηκαν και στελέχη ζωικής προέλευσης, γεγονός που υποδηλώνει την είσοδο στο δίκτυο κοπρανώδους υλικού προερχόμενου από ζώα των συγκεκριμένων περιοχών, τα οποία ενδεχομένως να έχουν άμεση πρόσβαση στις πηγές και γεωτρήσεις. Όσον αφορά στο χαρακτηρισμό των E. coli που καταλήγουν στους αναφερόμενους βιολογικούς καθαρισμούς, η πλειοψηφία ανίχνευσης ανθρωπίνων στελεχών δηλώνει την πιθανή παρουσία στα ακατέργαστα λύματα πολλών ανθρωπίνων εντερικών παθογόνων σημαντικών για τη δημόσια υγεία. Δεδομένου ότι τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές έχουν αποδυθεί σε μια προσπάθεια επαναχρησιμοποίησης επεξεργασμένων λυμάτων επισημαίνεται η ανάγκη επεξεργασίας τους σε διάφορα στάδια για τη διασφάλιση της δημόσιας υγείας. Παρατηρήθηκε συμφωνία αποτελεσμάτων με τη χρήση των δύο εκκινητών καθώς η διαφορά στα ποσοστά δεν ήταν στατιστικά σημαντική (P>0,05). Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που ελήφθησαν με τις δύο μεθόδους, τη φαινοτυπική (MAR ανάλυση) και τη γονοτυπική (RAPD-PCR), υπήρξε στατιστικά σημαντική διαφορά (P<0,05), με συνέπεια να τίθεται θέμα επιλογής της πιο ενδεδειγμένης μεθόδου τυποποίησης και διάκρισης περιβαλλοντικών μικροοργανισμών. H παρούσα μελέτη αναδεικνύει την RAPD-PCR ως μια γονοτυπική μέθοδο με ικανοποιητική διακριτική ικανότητα, ευαισθησία, επαναληψιμότητα υπό αυστηρά καθορισμένες συνθήκες και χαμηλού κόστους. Η ευκολία εφαρμογής για την τυποποίηση μεγάλου αριθμού βακτηριακών στελεχών, χωρίς την απαίτηση γνώσης της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του γενετικού υλικού την καθιστούν ιδιαίτερα προσιτή σε εργαστήρια μοριακής μικροβιολογίας, ως τεχνική διάκρισης προέλευσης της κοπρανώδους μόλυνσης στο υδάτινο περιβάλλον. / Maintenance of the microbiological quality and safety of water systems is imperative, as their faecal contamination may exact high risks to human health as well as result in significant economic losses. The microbiological quality of water systems is evaluated by detecting their faecal pollution and especially specific faecal indicators such as Escherichia coli. Simple detection of faecal pollution is not sufficient in order to apply appropriate management plans to remedy the problem and to prevent any further contamination. Human faecal material is generally perceived as constituting a grater human health risk than animal faecal material, considering that it is more likely to contain human-specific enteric pathogens. Thus, it would be desirable to determine the source of the faecal material, especially for the assessment of risk for public health and for the development of monitoring plans. In the present study the development and assessment of Multiple Antibiotic Resistance Analysis (MAR – phenotypic method) and Randomly Amplified Polymorphic DNA-PCR Analysis (RAPD-PCR – genotypic method) were established as microbial source tracking methods. Firstly, parameters of the two selected methods were determined for the discrimination of E. coli isolates of known source (60 isolates from animal faecal material & 68 isolates from human faecal material). Hierarchical Cluster Analysis and Discriminant Analysis were applied for the classification of the isolates. With MAR analysis E. coli isolates developed different resistance profiles and were discriminated according to their source with an average rate of correct classification (ARCC) of 85.2%. With RAPD-PCR analysis two different 10-nt primers of arbitrary sequence were used (1254 & 1290) and the 128 E. coli isolates of known origin were classified as human and animal with the following ARCC: ARCC1254= 87.5% & ARCC1290= 81.3%. The discriminatory power of RAPD-PCR with the two selected primers was D1254=0.97 & D1290=0.90. Furthermore, the assessment of reproducibility of RAPD-PCR analysis provided satisfactory results with both primers, as RAPD profiles were identical for the same bacterial isolates. The assessment of specificity of the method resulted in the discrimination among RAPD profiles of E. coli isolates and other reference bacteria. The selected methods were applied for the classification and the source tracking of E. coli isolates, derived from tap water and raw sewage samples. In total 234 E. coli strains were isolated from tap water from 11 areas and raw sewage samples from four treatment plants (KEREFYT – prefecture of Attiki, PSITALIA - prefecture of Attiki, RIO - prefecture of Achaia and PATRA - prefecture of Achaia). With MAR analysis the 234 isolates were classified as human and animal in percentages of 46.6% & 53.4%, respectively. Classification results were different with RAPD-PCR analysis. With primer 1254 the classification was: 64.9% of human origin and 35.1% of animal origin and with primer 1290 the classification was: 60.3% of human origin and 39.7% of animal origin. Isolates derived from tap water of urban areas were classified in total as of human origin. On the contrary, in areas with many farm breeders many isolates were classified as of animal origin, indicating presence of faecal material in the water systems derived animal activities. As far as E. coli isolates from raw sewage samples are concerned, the majority of them were classified as of human source, indicating the possible presence of other human enteric pathogens as well. Taking into account the fact that there has been an effort in order to reuse treated sewage, it seems necessary a multi-stage process to renovate wastewater before it re-enters a body of water. There was an agreement of results of classification obtained form the use of the two different primers as the percentages did vary statistically (P>0.05). Comparing results obtained from the two selected methods, the difference was statistically significant (P<0.05), raising a question of the appropriate method for the typing and discrimination of environmental microorganisms. The present study demonstrates RAPD analysis as a simple, cost effective genotypic method with satisfactory discriminatory power, sensitivity and reproducibility. It can be applied for the analysis of a large number of bacterial isolates without the prior knowledge of nucleotide sequence of DNA to be necessary. Finally, it may fulfil environmental for the determination of origin of faecal pollution protecting water resources and public health.

Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η επιδημιολογική μελέτη των σταφυλοκοκκικών λοιμώξεων και κυρίως των λοιμώξεων από MRSA, τόσο στο ενδονοσοκομειακό περιβάλλον, όσο και στην κοινότητα, το διάστημα 2001-2006. Κατά τη διάρκεια της μελέτης, συλλέχθηκαν συνολικά 1922 στελέχη Staphylococcus aureus από όλες τις κλινικές και από διαφορετικούς ασθενείς στο Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Πατρών (ΠΓΝΠ). Στη συνέχεια τα στελέχη ελέγχθηκαν για την παραγωγή της πρωτεΐνης PBP2α και την ύπαρξη του γονιδίου mecA για τον προσδιορισμό των ανθεκτικών στη methicillin στελεχών S. aureus (Methicillin-Resistant S. aureus, MRSA). Από το σύνολο των 1922 S. aureus, τα 757 (39.4%) χαρακτηρίσθηκαν ως MRSA. Γενικά, παρατηρήθηκε αύξηση του αριθμού των λοιμώξεων από S. aureus, με παράλληλη αύξηση του ποσοστού των MRSA λοιμώξεων, από 23% το 2001 στο 49% το 2006. Οι MRSA αποτελούν σοβαρό πρόβλημα για τα νοσοκομεία, αλλά και γενικότερα σε όλο το πληθυσμό, καθώς απομονώνονται με αυξανόμενη συχνότητα από την κοινότητα. Στο διάστημα που καλύπτει η παρούσα μελέτη, 2001-2006, το ποσοστό των στελεχών που απομονώθηκαν από την κοινότητα (Community-acquired MRSA, CA-MRSA) αυξήθηκε από 3% το 2001, σε 37% το 2006, ενώ εκείνο των ενδονοσοκομειακών στελεχών (Hospital-acquired MRSA, HA-MRSA), είναι ενθαρρυντικό ότι μειώθηκε από 20% το 2001, στο 12% το 2006. Για την επιδημιολογική μελέτη των λοιμώξεων που οφείλονται σε MRSA στελέχη, μέθοδος αναφοράς είναι η PFGE, κυρίως σε συνδυασμό και με υβριδισμό του χρωμοσωμικού DNA με ειδικούς ανιχνευτές. Oι μέθοδοι αυτές παρουσιάζουν δυσκολία στη σύγκριση των κλώνων μεταξύ των χωρών και έτσι αναπτύχθηκε η MLST, που βασίζεται στη εύρεση της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας επτά συντηρημένων γονιδίων και επιτρέπει τον προσδιορισμό των κλωνικών συμπλεγμάτων (Clonal Complex, CC) με δυνατότητα άμεσης ταυτοποίησής τους. Τα MRSA που απομονώθηκαν κατατάχθηκαν σε επτά ST/SCCmec κλώνους, τους ST80/IV, ST5/IV, ST377/V, ST30/IVvar, ST239/III, ST225/NT και ST217/NT και πέντε κλωνικά συμπλέγματα (Πίνακας 46). Στα CA-MRSA επικρατεί ο ST80/IV, με μικρό ποσοστό να ανήκει και στον πρόσφατο τύπο ST377/V, ενώ στα HA-MRSA απαντώνται κυρίως οι ST239/III και ST30/IVvar. Η PVL είναι μια τοξίνη που καταστρέφει τα λευκοκύτταρα ανοίγοντας πόρους στην κυτταρική τους μεμβράνη, προκαλεί νέκρωση ιστών και νεκρωτική πνευμονία, κυρίως σε μικρά παιδιά, και κωδικοποιείται από τα γονίδια lukS-PV και lukF-PV. Το 74% των MRSA που μελετήθηκαν το διάστημα 2001-2006, έφεραν τα γονίδια αυτά, καταγράφοντας αύξηση από 33% το 2001, σε 88% το 2006. Τα PVL-θετικά MRSA ανήκουν στους κλώνους ST80/IV και ST377/V. Τα περισσότερα PVL-θετικά CA-MRSA της μελέτης μας απομονώθηκαν από λοιμώξεις δέρματος και μαλακών μορίων, ενώ τα PVL-θετικά HA-MRSA προέρχονταν από χειρουργικά τραύματα, κυρίως σε περιπτώσεις χρήσης προσθετικών υλικών. Ένα PVL-θετικό στέλεχος, που απομονώθηκε από αιματοκαλλιέργεια, προερχόταν από οστεομυελίτιδα. Πρόκειται για πρώτη αναφορά περιστατικών οξείας οστεομυελίτιδας, με αίτιο στελέχη CA-MRSA και MSSA που παράγουν PVL. Φαίνεται ότι η παρουσία των γονιδίων lukS-PV και lukF-PV συνδέεται κυρίως με λοιμώξεις που προκύπτουν δευτερογενώς σε τραύματα και επιπολής λοιμώξεις δέρματος και μαλακών μορίων, ενώ η απομόνωση PVL-θετικού στελέχους από οστεομυελίτιδα αποτελεί ένδειξη για την εμπλοκή της τοξίνης αυτής και στη παθογένεια εν τω βάθει λοιμώξεων. Εκτός από την PVL, σημαντικοί λοιμογόνοι παράγοντες και αίτια σοβαρών κλινικών συνδρόμων στον άνθρωπο θεωρούνται και οι τοξίνες της οικογένειας των υπεραντιγόνων, όπως η τοξίνη του συνδρόμου τοξικής καταπληξίας (TSST-1) και οι εντεροτοξίνες (SEs). Το γονίδιο tst κωδικοποιεί την παραγωγή της TSST-1, ενώ το οπερόνιο egc (enterotoxin gene cluster) την έκφραση πρωτεϊνών που μοιάζουν στη δομή και αλληλουχία με τις εντεροτοξίνες. Στα MRSA της συλλογής μας, τα γονίδια tst και egc2 ανιχνεύθηκαν μόνο στον κλώνο ST30/IV και δε βρέθηκαν ποτέ να συνυπάρχουν με τα γονίδια της PVL. Ανιχνεύθηκαν και συνδυασμοί των γονιδίων tst και του οπερονίου egc στους κλώνους ST80/IV και ST239/III, που σημαίνει ότι τα γονίδια αυτά διασπείρονται με οριζόντια μεταφορά, ενώ τα γονίδια lukS-PV και lukF-PV, που εντοπίστηκαν αποκλειστικά στους κλώνους ST80/IV ST377/V και χωρίς να συνυπάρχουν με γονίδια υπεραντιγόνων, φαίνεται ότι μεταφέρονται πιο ειδικά. Προϊόν της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ποσοτικοποίηση με αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης πραγματικού χρόνου, του γονιδίου tst σε στελέχη S. aureus που ήταν ανθεκτικά στη methicillin, κατατάσσονταν σε διαφορετικούς κλώνους και έφεραν ποικίλα γονίδια τοξινών. Για τη σήμανση και παρακολούθηση των προϊόντων χρησιμοποιήθηκε το SYBR Green I (SG), που είναι μη ειδικός τρόπος σήμανσης. Η χρήση του SYBR Green I κάνει τη μέθοδο εύχρηστη, αφού μπορεί η χρωστική να προστεθεί απλά στο υπόλοιπο μίγμα της αντίδρασης και φθηνή, επειδή δε χρειάζεται να σχεδιαστούν καινούριοι, ειδικοί εκκινητές. Οι αντιδράσεις απόλυτης ποσοτικοποίησης, που πραγματοποιήθηκαν με τη συγκεκριμένη μέθοδο, είχαν υψηλή απόδοση (2.04) και τα αποτελέσματα ήταν συνεχή και επαναλαμβανόμενα, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί να εφαρμοσθεί στη ρουτίνα του κλινικού εργαστηρίου για τη γρήγορη ανίχνευση και ποσοτικοποίηση του γονιδίου tst στα κλινικά στελέχη. Επί πλέον αποδείχθηκε με τη στατιστική ανάλυση, ότι στελέχη που απομονώθηκαν από λοιμώξεις μαλακών μορίων συνέθεταν υψηλότερα ποσά tst. Για τον υπολογισμό των λόγων έκφρασης του γονιδίου tst, στη σχετική ποσοτικοποίηση εφαρμόσθηκαν δυο μαθηματικά μοντέλα (2-ΔΔCt και Pfaffl). Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα από τους δυο διαφορετικούς τρόπους υπολογισμού, βρέθηκαν διαφορές στα επίπεδα έκφρασης ίδιων στελεχών και καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το μαθηματικό μοντέλο του Pfaffl είναι πιο ακριβές και αξιόπιστο, καθώς συνυπολογίζει την απόδοση της αντίδρασης. / The purpose of this study was to establish the clonality and evolution of CA-MRSA (Community-acquired MRSA, CA-MRSA) and HA-MRSA (Hospital-acquired MRSA, HA-MRSA), as well as the epidemiology of MRSA (Methicillin-Resistant S. aureus, MRSA) infections, during 2001-2006. In total 1922 Staphylococcus aureus strains were collected from patients with different pathologies admitted at the University Hospital of Patras. Among them 757 (39.4%) strains were MRSA. The prevalence of MRSA infections rose from 23% in 2001 to 49% in 2006. MRSA is a major problem worldwide in the nosocomial setting and the community. During 2001-2006 CA-MRSA isolated with an increasing rate from 3% in 2001 to 37% in 2006, while HA-MRSA decreased from 20% in 2001 to 12% in 2006. The epidemiological study of MRSA infections was based on PFGE, the “gold standard” of typing methods and hybridization with specific DNA probes. However, for the full characterization of a strain it is recommended the application of the multilocus sequence typing (MLST), since it is a highly discriminatory method and permits to compare the results from different laboratories. MLST represents a major advance since it relates organisms on the basis of the nucleotide sequences of ~450 bp internal fragments of seven conserved housekeeping genes resulting to the determination of Sequence Types (ST) and Clonal Complexes (CC). MRSA of our collection belonged to seven ST/SCCmec clones (ST80/IV, ST5/IV, ST377/V, ST30/IVvar, ST239/III, ST225/NT and ST217/NT) and five Clonal Complexes. Most CA-MRSA isolates belonged to ST80/IV clone and a small percentage to the newly described clone, ST377/V, while HA-MRSA strains were mainly characterized as ST239/III and ST30/IVvar clones. PVL is a bicomponent toxin associated with skin and soft tissue infections, but also with necrotizing pneumonia, especially in children. In total 74% of MRSA were positive for the PVL genes rising from 33% in 2001 to 88% in 2006. PVL-positive MRSA strains belonged to ST80/IV and ST377/V clones. Most PVL-positive CA-MRSA isolated from skin and soft tissue infections, while PVL-positive HA-MRSA isolated from surgical wounds, especially when prosthetic devices were used. In one patient acute staphylococcal osteomyelitis (AO) was diagnosed, due to MRSA carrying the PVL genes. This is the first description of CA-MRSA producing PVL as causative agents of AO suggesting that PVL-positive S. aureus can be isolated from patients with invasive musculo-skeletal infections, including acute childhood osteomyelitis, as well as among patient with skin and soft-tissue infections. Staphylococcal enterotoxins, enterotoxin-like superantigens (enterotoxin gene operon, egc) and the toxic shock syndrome toxin-1 that belong to the pyrogenic toxin superantigens (PTSAgs) are considered major virulence factors. The genotype tst/egc belonged only to ST30/IV clone and never coexisted with the PVL genes. Other combinations of genes were also detected belonging to clones ST80/IV and ST239/III, suggesting the horizontal transfer of those genes. On the contrary, the PVL genes were detected only in ST80/IV and ST377/V clones, meaning a more specific way of spread. A real-time PCR assay was developed for the quantification of tst gene in methicillin-resistant S. aureus using SYBR Green I (SG) chemistry, which is an easy and cost-effective approach to real-time, since it does not require the design of sequence specific probes and new primers. By the developed method of absolute quantification the results were reproducible and constant, meaning that the assay can be applied in the routine laboratory. The statistically significant difference of tst gene expression among strains associated with SSTIs, suggests that such strains may be the cause of TSS among patients. For the calculation of expression ratios in the relative quantification we applied two mathematical models (2-ΔΔCt and Pfaffl). Comparing ratios derived from the two mathematical methods we found variations, allowing us to suggest the use of the Pfaffl model as the more precise and reliable method.

Η αναζήτηση και επινόηση νέων προσεγγίσεων για την προγεννητική διάγνωση χρωμοσωμικών συνδρόμων, που να συνδυάζουν ταχύτητα, αξιοπιστία και ασφάλεια για την μητέρα και το έμβρυο, είναι πάντοτε επίκαιρη και επιτακτική, ιδιαίτερα στην εποχή μας, όπου η πρόοδος της μοριακής βιολογίας και η αποκρυπτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος, προσφέρουν νέα γνώση και εργαλεία για την προσπάθεια αυτή. Στην παρούσα εργασία τυποποιήθηκε η μεθοδολογία της ποσοτικής φθορίζουσας αλυσιδωτής αντίδρασης της πολυμεράσης (Quantitative Fluorescence Polymerase Chain Reaction, QF-PCR) σε συνδυασμό με τη συμβατική PCR για την ανίχνευση ανευπλοειδιών και φύλου σε δείγματα αμνιακών κυττάρων, σε βλαστομερίδια προεμβρύου και κυρίως σε ελεύθερο εμβρυϊκό DNA από την μητρική κυκλοφορία καθώς και σε ούρα της εγκύου, για την καθιέρωση μη επεμβατικής μεθοδολογίας προγεννητικής διάγνωσης. Είναι σαφές από τα αποτελέσματα της παρούσας ερευνητικής εργασίας ότι οι συγκεκριμένες μεθοδολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν συμπληρωματικά στο συμβατικό χρωμοσωμικό έλεγχο και παράλληλα να αξιοποιηθούν όσον αφορά την ανάλυση του ελεύθερου εμβρυϊκού DNA στο πλάσμα της μητέρας για την ασφαλή διάγνωση του φύλου του εμβρύου στα πρώτα στάδια της κύησης. Επιπλέον, επινοήθηκαν πειράματα προσομοίωσης μητρικού πλάσματος με σκοπό τον προσδιορισμό του ποσοστού του εμβρυϊκού DNA στη μητρική κυκλοφορία σε όλη τη διάρκεια της κύησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στα δείγματα μας το εμβρυϊκό DNA μπορεί να διαχωριστεί από το DNA της μητέρας, ανιχνεύοντας μοναδικά εμβρυϊκά αλληλόμορφα πολυμορφικών περιοχών STR (Short Tandem Repeats) πατρικής προέλευσης με QF-PCR. Αυτά τα αλληλόμορφα χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του ποσοστού του εμβρυϊκού DNA στο μητρικό πλάσμα. Έτσι βρέθηκε ότι σε φυσιολογικές κυήσεις, το εμβρυϊκό DNA είναι της τάξεως του 7% (διακύμανση 0-20%) του ολικού ελεύθερου DNA στη μητρική κυκλοφορία. Με βάση την ανάλυση των μοντέλων προσομοίωσης προσδιορίσθηκε με QF-PCR ο αριθμός των αντιγράφων των εμβρυϊκών χρωμοσωμάτων συγκρίνοντας τις αναλογίες των αλληλομόρφων δεικτών STR στα χρωμοσώματα 21, 18, 13, Χ και Υ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι για φυσιολογικά έμβρυα και σε περιπτώσεις όπου το ποσοστό του εμβρυϊκού DNA στο μητρικό πλάσμα είναι ≥15%, ο λόγος των αναλογιών των αλληλομόρφων δύο δεικτών STR σε διαφορετικά χρωμοσώματα προσεγγίζει τη μονάδα. Η ανάλυση δειγμάτων μητρικού πλάσματος από φυσιολογικές κυήσεις και μετά από εμπλουτισμό τους στο ελεύθερο εμβρυϊκό DNA επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα των μοντέλων προσομοίωσης. Αντίστοιχα μοντέλα προσομοίωσης δειγμάτων πλάσματος εγκύων με τρισωμικά έμβρυα για το χρωμόσωμα 21 έδειξαν ότι ο λόγος της αναλογίας των αλληλομόρφων ενός δείκτη STR σε ένα αυτοσωμικό χρωμόσωμα (π.χ. 18 ή 13) προς την αναλογία των αλληλομόρφων ενός δείκτη STR στο χρωμόσωμα 21, διαφέρει από τη μονάδα και εξαρτάται από την προέλευση, πατρική ή μητρική, του επιπλέον εμβρυϊκού χρωμοσώματος 21 στο δείγμα (0.5 έναντι 1.3 αντιστοίχως). Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν, εφόσον επαληθευθούν σε ικανό αριθμό δειγμάτων να αξιοποιηθούν ως επιπλέον δείκτες προγεννητικού ελέγχου και ενδεχομένως να συμβάλλουν στην τυποποίηση αποτελεσματικής μεθοδολογίας μη επεμβατικής χρωμοσωμικής διάγνωσης. / The quest and devise of new approaches for the prenatal diagnosis of chromosomal syndromes that combine rapid analysis robustness and safety for mother and embryo are always in demand especially in the post-genome era with new tools and methods in our disposition. In the present study, the methodology of quantitative fluorescent polymerase chain reaction (QF-PCR) has been developed and standardized in conjunction with conventional PCR for the detection of aneuploidies and sex in amniotic cells, blastomeres and most importantly in free fetal DNA isolated from maternal peripheral blood and urine, for the establishment of non-invasive methods of prenatal diagnosis. It has become evident that the methodology we have followed can complement conventional prenatal chromosome analysis and in addition can be exploited for the analysis of fetal DNA in maternal plasma for fetal sex determination at the first stages of gestation. Moreover, simulation experiments have been devised in order to determine the percentage of fetal DNA in maternal circulation throughout pregnancy. Our results showed that free fetal DNA can be distinguished from the mother’s DNA in maternal plasma by identifying unique paternally inherited fetal polymorphisms, such as short tandem repeat (STR) alleles, with QF-PCR. These alleles were used to calculate the percentage of fetal DNA in maternal plasma. Fetal DNA was found to be present on an average of 7% (range 0-20%) of the total free DNA in maternal circulation, in normal pregnancies. QF-PCR analysis was also used to determine the copy number of fetal chromosomes by comparing the allelic ratios for chromosomes 21, 18, 13 X and Y. It appears that in informative cases where free fetal DNA is 15% or more and originates from normal embryos, the value of the allelic ratio of a STR marker on one chromosome divided by the value of the allelic ratio of another STR marker on a different chromosome is equal to 1. Analysis of DNA samples isolated from the plasma of pregnant women bearing normal embryos confirmed the results of the simulation models. Comparison of the above data with new analyses simulating DNA from the plasma of pregnant women carrying trisomic for chromosome 21 embryos have shown that the value of the allelic ratio of a STR marker on an autosomal chromosome (e.g. 18 or 13), divided by the allelic ratio of a STR marker on chromosome 21, is different from 1 and it depends on the origin, paternal or maternal, of the extra copy of chromosome 21 in the embryo, with values of 0.5 in paternal compared to 1.3 in maternal trisomies respectively. These results differentiate between normal and trisomic cases and after further evaluation may provide a new indication marker for prenatal diagnosis. In the long term, they may also provide the basis of a non-invasive procedure for early prenatal chromosomal analysis.

Το αντικείμενο της έρευνας της παρούσας εργασίας είναι η ατομιστική προσομοίωση της ρόφησης αερίων μέσα σε ζεολιθους, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας στην δομή του και την ροφητική του ικανότητα. Από τους σχεδόν 200 συνθετικούς και φυσικούς ζεολίθους, επιλέχθηκε ο φωγιασίτης, ο οποίος αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο υλικό με πλήθος εφαρμογών, όπως η ρόφηση, η αποθήκευση και ο διαχωρισμός αερίων, αλλά και σε τομείς όπως η κατάλυση και η δημιουργία συσκευών ανίχνευσης αερίων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξετάστηκε η αλληλεπίδραση των κατιόντων της δομής με μόρια διαφόρων αερίων, τα οποία ροφούνται στον φωγιασίτη, καθώς και ο βαθμός στον οποίο αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει την ποσότητα του αερίου που μπορεί να ροφηθεί. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά ανακατασκευάστηκε στον υπολογιστή η δομή της μοναδιαίας κυψελίδας του φωγιασίτη και έγινε μοντελοποίηση της ρόφησης μορίων CO2 και Η2 μέσα στην ανακατασκευασμένη κυψελίδα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του λόγου Si/Al στον κρύσταλλο, και της σύστασής του σε μη πλεγματικά κατιόντα. Στο τμήμα αυτό έγινε η θεώρηση ότι η δομή μένει αμετάβλητη με την είσοδο των μορίων του αερίου. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στην θέση των ιόντων, των ατόμων του πλέγματος και στο μέγεθος της μοναδιαίας κυψελίδας, καθώς και η περαιτέρω επίδραση που φέρουν αυτές οι αλλαγές στη ρόφηση. Τα αποτελέσματα της ρόφησης συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Τέλος, μοντελοποιήθηκε η διάχυση του CO2 μέσα στον φωγιασίτη και υπολογίστηκε ο συντελεστής διαχύσεως σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα από πειραματική μέτρηση του συντελεστή διαχύσεως του αερίου στον φωγιασίτη. Η αναπαράσταση του υλικού και των φαινομένων της ρόφησης έγινε σε ατομιστικό επίπεδο, με την χρήση μεθόδων Monte Carlo, ενώ η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του φωγιασίτη με τις μεταβολές της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της προσομοιωμένης ανόπτησης. Η διάχυση μοντελοποιήθηκε με την μέθοδο της μοριακής δυναμικής. / -

Στην εποχή της Μοριακής Ιατρικής, η ιατρική πληροφορία θα πρέπει να σχετίζεται με την λειτουργία των ιστών και των κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Η ιατρική διάγνωση καθώς και ο σχεδιασμός και η αποτελεσματικότητα της θεραπείας απαιτούν λεπτομερή πληροφόρηση σε θέματα που αφορούν τον μεταβολισμό, τους υποδοχείς, αλλά και την γονιδιακή έκφραση των ιστών. Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (ΡΕΤ), μέθοδος της Πυρηνικής Ιατρικής είναι ο κυριότερος επί του παρόντος εκπρόσωπος της Μοριακής Απεικόνισης, διαγιγνώσκει δηλαδή απεικονιστικά παθήσεις σε μοριακό επίπεδο με την βοήθεια ραδιοφαρμάκων. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συστημάτων Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων που αφορούν την απεικόνιση μικρών ζώων (animal PET). Τα συστήματα αυτά είναι σχεδιασμένα ώστε να κάνουν απεικόνιση ανατομικών δομών μικρότερων από αυτές του ανθρώπου. Τα οφέλη πολλά, τόσο στην αξιολόγηση νέων ραδιοφαρμάκων, όσο και στην βελτίωση των κλινικών PET μέσα από την μελέτη και την ανάπτυξη τέτοιων πρότυπων συστημάτων. Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά την μελέτη σε βάθος και κατανόηση της λειτουργίας ενός πρότυπου συστήματος PET (Positron Emission Tomography). Σε πειραματικό επίπεδο θα γίνει εκμάθηση και λήψη δεδομένων μέσω των ηλεκτρονικών μονάδων NIM. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία είναι μια μικρή PET κάμερα, που αποτελείται από δυο κεφαλές βασισμένες σε χωρικά ευαίσθητο φωτοπολλαπλασιαστή H8500 και διακριτοποιημένο κρύσταλλο LSO κυψελίδων 2x2mm2, πεδίου διαστάσεων 5x5cm2. Κάθε κεφαλή περιλαμβάνει ένα φωτοπολλαπλασιαστή, ένα κρύσταλλο και ηλεκτρονικά τα οποία είναι υπεύθυνα για την προ-ενίσχυση. Το σύστημα συλλογής δεδομένων θα γίνει μέσω των ηλεκτρονικών NIM (Nuclear Instrumentation Module) και θα συγκριθεί με εκείνο του small animal PET. Σκοπός μας είναι να χρησιμοποιήσουμε τις κατάλληλες μονάδες (ενισχυτές, διευκρινιστές, μονάδες σύμπτωσης και gate and delay generators), ώστε να καταγραφεί το είδος των μεταφερομένων σημάτων σε όλες τις επιμέρους μονάδες. Στη συνέχεια και ύστερα από επεξεργασία των δεδομένων στον υπολογιστή θα πραγματοποιηθεί απεικόνιση ομοιωμάτων ή μικρών ζώων. Η σύγκριση καθώς και η κατανόηση της λειτουργίας του τρόπου με τον οποίο γίνεται η σύμπτωση και η συλλογή των δεδομένων θα μας βοηθήσει μελλοντικά στην ανάπτυξη ενός νέου συστήματος PET με βέλτιστα επιθυμητά χαρακτηριστικά. / In this work dual head PET camera, suitable for high resolution small animal studies has been developed. The system has a field of view of 5x5cm and is based on 2 H8500 position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs), coupled to two LSO crystals with 2.5x2.5mm pixel size. Then an FPGA based data acquisition system and proper data reconstruction system collect events, sort coincidences and produce images. We develop a system that is responsible for the coincidence detection based on NIM electronics. Systems evaluation has been carried out using FDG. Point sources have been used for systems calibration. Capillaries with 1.1mm inner diameter were imaged.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται Ατομιστικά Μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τα οποία μπορούν να αποτελέσουν το πρώτο σημαντικό βήμα για τη μελέτη της βιολογικής μεμβράνης ή και ακόμα τη μελέτη συστημάτων μεμβρανών με πρωτεΐνες, σάκχαρα κ.α. Τέτοιες προσομοιώσεις θα μας δώσουν στοιχεία για μακροσκοπικές ιδιότητες της μεμβράνης (π.χ. διαχυτότητα) παρουσία συγκεκριμένων άλλων μακρομορίων. Αρχικά μελετάται σε ατομιστικό επίπεδο, με τα μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τήγμα παλμιτικού οξέος (383Κ). Η καταλληλόλητα του νέου μοντέλου που εισήχθη για την περίπτωση των Ενοποιημένων Ατόμων εξετάζεται με βάση τις ιδιότητες διαμόρφωσης (λ.χ. κατανομές γωνιών) που εξάγονται από το μοντέλο Διακριτών Ατόμων. Στο μοντέλο Διακριτών Ατόμων χρησιμοποιήθηκε το αναλυτικότερο δυνατό δυναμικό (COMPASS). Τα αποτελέσματα ήταν άκρως ικανοποιητικά. Έχοντας ένα αξιόπιστο μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων προχωρήσαμε στο επόμενο βήμα. Επόμενο βήμα ήταν η μελέτη συστήματος παλμιτικού οξέος ανάμεσα από στρώμα νερού. Σημαντικό μειονέκτημα του μοντέλου Διακριτών Ατόμων για ένα τόσο μεγάλο σύστημα αποτελεί η περιορισμένη χρονική κλίμακα. Φαινόμενα σχηματισμού διπλοστοιβάδας παλμιτικού οξέος παρουσία νερού, είναι πολύ δύσκολο να μελετηθούν με χρήση μοντέλου Διακριτών Ατόμων λόγω των πολύ μικρών χρόνων που καλύπτουν. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η χρήση μοντέλου Ενοποιημένων Ατόμων για το σύστημα PLM – νερό. Χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων που οι ίδιοι αναπτύξαμε, όπως και για την περίπτωση του τήγματος, για την περιγραφή του παλμιτικού οξέος, και το μοντέλο SPCE για το νερό, το οποίο είναι ευρέως αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα. Πέραν της σύγκρισης των μοντέλων Ενοποιημένων και Διακριτών Ατόμων που έγινε για το τήγμα του παλμιτικού οξέος, πραγματοποιήθηκαν και διάφοροι υπολογισμοί που αφορούν τη σταθεροποίηση του συστήματος (Autocorrelation faction of end-to-end distance vector), δομικές ιδιότητες (Radial Distribution Function), ιδιότητες διαμόρφωσης (angle distribution, radius of gyration, end-to-end distance vector) και θερμοδυναμικές ιδιότητες (density). Υπολογίστηκαν επίσης ο συντελεστής αυτοδιάχυσης (self diffusion coefficient) καθώς και το πλήθος δεσμών υδρογόνου. / This diploma thesis presents Atomistic Models of Discrete and Integrated atoms, which can be an important first step to study the biological membrane or even studying membrane systems with proteins, sugars, etc. Such simulations will give us data on macroscopic membrane properties (eg diffusivity) in the presence of certain other macromolecules. Initially we study melt palmitic acid (383K)in atomistic level. The suitability of the new model, introduced for the case of the Consolidated Atoms is examined by checking the configuration properties (eg angles distributions) derived from the model of Discrete Atoms. In the model of discrete atoms the disaggregated possible dynamic (COMPASS)was used. The results were highly satisfactory. Having a reliable model for Unified atoms we move to the next step. Next step was to study the system of palmitic acid between waterbed. Major drawback of the model of Discrete atoms for such a large system is the limited time scale. Phenomena of bilayer formation of palmitic acid in the presence of water is very difficult to be studied using discrete atoms model because of very short times covered. Therefore, it is necessary to use a model of integrated atoms for the system PLM - water. We used the model of Unified atoms we ourselves have developed, as in the case of the melt, for the description of palmitic acid, and the SPCE model for water, which is widely accepted by the scientific community. Beyond the comparison of models of integrated and discrete atoms made for the melt of palmitic acid, various calculations for the stabilisation the system (Autocorrelation faction of end-to-end distance vector), structural properties (Radial Distribution Function), properties configuration (angle distribution, radius of gyration, end-to-end distance vector) and thermodynamic properties (density)were made. The self-diffusion coefficient (self diffusion coefficient) and the number of hydrogen bonds were also calculated.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται παράλληλοι αλγόριθμοι και εφαρμογές σε πολυπύρηνες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζονται οι μέθοδοι σχεδίασης ενός παράλληλου αλγορίθμου για την επίλυση τόσο απλών και κοινών προβλημάτων, όπως η ταξινόμηση, όσο και υπολογιστικά απαιτητικών προβλημάτων, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την τεράστια υπολογιστική δύναμη που προσφέρουν οι σύγχρονες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πρώτο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ταξινόμηση, η οποία είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα προβλήματα στην επιστήμη των υπολογιστών. Υπάρχει σαν εσωτερικό πρόβλημα σε πολλές εφαρμογές, επομένως πετυχαίνοντας πιο γρήγορη ταξινόμηση πετυχαίνουμε πιο καλή απόδοση γενικότερα. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται όλα τα βήματα σχεδιασμού για την εκτέλεση ενός αλγορίθμου ταξινόμησης για ακεραίους, της count sort, σε μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Σημαντική επίδραση στην απόδοση είχε η αποφυγή του συγχρονισμού των νημάτων στο τελευταίο βήμα του αλγορίθμου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται εφαρμογές παράλληλων αλγορίθμων σε υπολογιστικά απαιτητικά προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάζεται το πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων Πανεπιστημίων, το οποίο είναι ένα πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Για την επίλυσή του χρησιμοποιείται ένας υβριδικός εξελικτικός αλγόριθμος, ο οποίος εκτελείται εξ' ολοκλήρου στην μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Η τεράστια υπολογιστική δύναμη της GPU και ο παράλληλος προγραμματισμός δίνουν τη δυνατότητα χρήσης μεγάλων πληθυσμών έτσι ώστε να εξερευνήσουμε καλύτερα τον χώρο λύσεων και να πάρουμε καλύτερα ποιοτικά αποτελέσματα. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης για υποθαλάσσια οχήματα με βραχίονα. Εξετάζεται το πρόβλημα τόσο του ολικού σχεδιασμού όσο και του τοπικού. Στην πρώτη περίπτωση είναι σημαντική η καλή λύση και η ακρίβεια και ο παράλληλος αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση του περιβάλλοντος εργασίας σε μια Bump-επιφάνεια βοηθάει προς αυτή την κατεύθυνση. Στη δεύτερη περίπτωση, το πρόβλημα είναι πρόβλημα πραγματικού χρόνου και μας ενδιαφέρει η ταχύτητα εύρεσης της επόμενης θέσης του οχήματος. Ο παράλληλος προγραμματισμός και η GPU βοηθούν σημαντικά σε αυτό. Τελευταία εφαρμογή που εξετάστηκε είναι η μελέτη ενός συστήματος ημιφθοριωμένων αλκανίων με την μοριακή προσομοίωση Monte Carlo. Η παραλληλοποίηση ενός μέρους, του πιο χρονοβόρου, του αλγορίθμου έδωσε τη δυνατότητα εξέτασης ενός πολύ μεγαλύτερου συστήματος σε αποδεκτό χρόνο. Σε γενικές γραμμές, γίνεται φανερό ότι ο παράλληλος προγραμματισμός και οι σύγχρονες πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές, όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών, δίνουν νέες δυνατότητες στην αντιμετώπιση καθημερινών προβλημάτων, προβλημάτων πραγματικού χρόνου και προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης. / In this thesis, parallel algorithms and applications in manycore graphics processing units are presented. More specifically, we examine methods of designing a parallel algorithm for solving both simple and common problems such as sorting, and computationally demanding problems, so as to fully exploit the enormous computing power of modern graphics processing units (GPUs). First problem considered is sorting, which is one of the most common problems in computer science. It exists as an internal problem in many applications. Therefore, sorting faster, results in better performance in general. Chapter 3 describes all design options for the implementation of a sorting algorithm for integers, count sort, on a graphics processing unit. The elimination of thread synchronization in the last step of the algorithm had a significant effect on the performance. Chapter 4 addresses the examination timetabling problem for Universities, which is a combinatorial optimization problem. A hybrid evolutionary algorithm, which runs entirely on GPU, was used to solve the problem. The tremendous computing power of GPU and parallel programming enable the use of large populations in order to explore better the solution space and get better quality results. In the next chapter, the problem of motion planning for underwater vehicle manipulator systems is examined. In the gross motion planning problem, it is important to achieve a good solution with high accuracy. The parallel algorithm used for the representation of the working environment in a Bump-surface is a step towards this direction. In the local motion planning problem, which is a real-time problem, the time needed to find the next configuration of the vehicle is crucial. Parallel programming and the GPU greatly assist in this online problem. Last application considered is the atomistic Monte Carlo simulation of semifluorinated alkanes. The parallelization of part of the algorithm, the most time-consuming, enabled the study of a much larger system in an acceptable execution time. In general, it becomes obvious that parallel programming and new novel manycore architectures, such as graphics processing units, give new capabilities for solving everyday problems, real time and combinatorial optimization problems.

- / The term Molecular Imaging (MI) can be broadly defined as the in vivo characterization and measurement of biological processes at the cellular and molecular level. In contradistinction to “classical” diagnostic imaging, it sets forth to probe the molecular abnormalities that are the basis of disease rather than to image the end effects of these molecular alterations. The underlying biology represents a new arena for many researchers. A number of technological challenges such as signal amplification, data and image processing and efficient imaging strategies, provide a fast growing scientific domain. Positron Emission Tomography (PET), Magnetic Resonance Imaging (MRI), Single Photon Emission Tomography (SPECT) and optical imaging are the main tools of clinical molecular imaging. Nuclear medicine techniques (SPECT and PET) are key players in MI. New radiopharmaceutical products are currently being developed, in order to increase the specificity and sensitivity of existing imaging techniques. Small animal imaging is the main tool for the evaluation of those derivatives, especially in dynamic in vivo studies. In this, preclinical part, high resolution and high sensitivity imaging equipment is necessary; as a result a number of such prototypes have been developed worldwide and some of them are commercialized. However, there cost is usually not affordable for small or medium size laboratories. In this work a low cost dual head PET camera, suitable for high resolution small animal studies has been developed. It is the result of the collaboration between Jefferson lab and Technological Educational Institute of Athens (TEI) and is currently evaluated in Institute of Radioisotopes and Radiodiagnostic Products (IRRP), in “Demokritos” Center. The system has a field of view of 5x5cm and is based on 2 H8500 position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs), coupled to two LSO crystals with 2.5x2.5mm pixel size. Then an FPGA based data acquisition system and proper data reconstruction system collect events, sort coincidences and produce images. The DAQ board consists of 16-channel DAQ modules installed on a USB2 carrier. Each channel is an independent acquisition system consisting of traditional analog pulse processing, FPGA analog control, and FPGA signal processing. After acquisition and processing, channel data are assembled into event blocks for readout by the carrier board. Application specific tasks are performed in JAVA using the Kmax interface. The GUI was designed to be easy-to-use. In order to further analyze images and process the results proper algorithms were developed in MATLAB and ImageJ. Systems evaluation has been carried out using FDG. Point sources have been used for systems calibration. Capillaries with 1.1mm inner diameter were imaged and used for resolution calculation. Finally a mouse injected with 100μCi of FDG was imaged. Spatial resolution has been measured using thin capillaries (1.1mm inner diameter) and found equal to 3,5mm in planar mode. This lower limit is determined by LSO pixels size (2.5×25mm2). Simulation studies have shown that resolution lower than 2mm will be achieved in tomographic mode. Mice injected with FDG are presented. Brain and heart are clearly imaged. Currently, a rotating base is constructed, in order to upgrade the system to a tomographic PET. PET results will be presented as well. In addition, IRRP and TEI are working on new radiopharmaceuticals based on Cu-64. It must be stated that PET market opened in Greece four years ago; This system is the first working small PET prototype in Greece and it initiates national preclinical PET research.