Krim, H. ... [et al.]. / Cover title. / Includes bibliographical references (p. 30-31). / Supported by ARPA. F30602-92-C-0030 Supported by the Laboratory for Information and Decision Systems, Massachusetts Institute of Technology. DAAH04-95-1-0103

Este trabajo se inspira en la importancia que en el sostenimiento de la vida posee el sistema respiratorio humano, unido a la necesidad de aumentar la información sobre su funcionamiento dinámico y de elemento integrador de diversos subsistemas como los de anatomía, fisiología, regulación, control y características físico-químicas apropiadas para su actividad. Son de interés especial en esta pretensión el estudio de la variabilidad del patrón respiratorio mediante métodos de análisis de complejidad de sistemas no lineales. El trabajo desarrollado comienza con la definición del patrón respiratorio humano, el cual permitirá definir las tres series temporales de fundamental importancia: Tiempo Inspiratorio, TI, Tiempo Total TTOT y volumen circulante VT, obtenidas a partir de los registros continuos de volumen de aire en cada ciclo respiratorio. En el capítulo 1 se realiza también la descripción del estado del arte en variabilidad respiratoria. Se prosigue con una introducción al estudio de los sistemas dinámicos complejos, y finaliza con la formulación del objetivo fundamental de la tesis, y sus seis objetivos secundarios.El procesado de la señal de volumen pulmonar se presenta en el capítulo 2, desarrollándose las etapas de filtrado y detección automatizada de ciclos respiratorios, y de esta manera tener identificados los componentes que definen el patrón ventilatorio. Se describen allí las dos bases de datos utilizadas en el estudio del análisis de complejidad, la de registros pletismográficos del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau (PRI-HSCSP) y la de registros polisomnográficos del MIT. Se han propuesto diversos algoritmos que realicen la determinación ciclo a ciclo de los instantes de inicio y fin inspiratorio, considerando distintos umbrales de tiempo y de flujo del patrón ventilatorio, que en conjunto representan diversos criterios de valorar el volumen de aire desplazado en las vías aéreas durante cada ciclo respiratorio. Los algoritmos desarrollados fueron validados sobre un conjunto de señales de volumen respiratorio, al contrastarse sus resultados con los indicados por un grupo de médicos neumólogos, logrando una muy elevada reproducibilidad. Es comúnmente aceptado que existen dos condiciones necesarias para realizar el análisis de complejidad en sistemas no lineales, una referida a garantizar la condición estacionaria de los registros. La segunda condición está referida a garantizar la no linealidad del sistema, comprobando que los registros no cumplen con el principio de superposición. El capítulo 3 de la tesis se ocupa de establecer cuales de los registros analizados cumplen con estas dos condiciones.El estudio de los sistemas no lineales y sus índices de complejidad se inicia con el capítulo 4, primero analizando como características cualitativas de las series temporales los mapas de fase y los diagramas de Poincaré. Los mapas de fase obtenidos permitieron clasificar en cinco diferentes topologías las estructuras generales que presentan los pacientes analizados: ciclos límite, órbitas cuasiperiódicas, trayectorias homoclínicas, trayectorias heteroclínicas y órbitas no estables. Este análisis permitió concluir que una particularidad del patrón respiratorio está dada por las diferencias cualitativas entre los registros de presión de soporte baja y alta, tanto para los mapas de fase como para los diagramas de Poincaré. El análisis cuantitativo mediante los índices de complejidad se inicia en el capítulo 5, con la estimación del retardo adecuado necesario para la reconstrucción fiable del atractor del sistema, para posteriormente calcular la dimensión de las series temporales de dos formas diferentes y complementarias: mediante la dimensión fractal (DF) de los Diagramas de Poincaré y mediante la dimensión de correlación (D2). Ambos métodos permiten identificar en un 81,3% los resultados de la valoración clínica de los pacientes. El capítulo 5 termina con la estimación de las entropías aproximadas de las series temporales, que definen el grado de regularidad de los registros. En el capítulo 6 se calculan los exponentes de Lyapunov mediante la técnica de la reconstrucción del atractor, con la finalidad de estudiar dos de sus principales implicaciones en la dinámica compleja como son la sensibilidad a las condiciones iniciales de las series y la estabilidad del sistema. Se han obtenido diferencias estadísticamente significativas (p=0,001) al comparar los pacientes con presión de soporte alta y baja. Se termina el capítulo proponiendo un nuevo índice combinado de complejidad para el análisis no lineal del patrón respiratorio, denominado Índice Combinado de Complejidad Ventilatoria (ICCV). El séptimo y último capítulo analiza globalmente los resultados cualitativos y cuantitativos obtenidos en la tesis, con la doble finalidad de verificar la analogía con la valoración clínica de los pacientes que presentan patologías que requieren de asistencia con presión de soporte ventilatorio, lográndose un nivel de identificación del 94% con el ICCV propuesto. Adicionalmente los resultados del análisis de complejidad predicen la subyacencia de ciclos ventilatorios intermedios de entre 8 y 32 ciclos respiratorios resultado de las interacciones dinámicas complejas propias del sistema pulmonar. La identificación de estructuras temporales y espaciales que engloben la variabilidad y complejidad del comportamiento de un sistema físico es parte clave en su definición y comprensión. El estudio del análisis de complejidad cualitativo y cuantitativo es una herramienta útil en la búsqueda de esta identificación, y en el caso particular del patrón ventilatorio, los resultados del análisis realizado permiten ver con optimismo una dirección a seguir para encontrar tales estructuras espacio-temporales en el sistema respiratorio. Como línea de investigación futura cabe destacar la aplicación de estos resultados a la ayuda en la toma de decisión del momento óptimo para la desconexión de los pacientes sometidos a ventilación mecánica, al considerarse que el sistema respiratorio con una complejidad más elevada ya es capaz de actuar de forma autónoma.

CARM1 et PRMT1 sont 2 Protein Arginine MethylTransferases (PRMTs) impliquées dans la prolifération et dérégulées dans le cancer. La dimérisation est une caractéristique commune aux PRMTs. PRMT1 et CARM1 coopèrent dans la régulation des gènes mais il n'existe pas de données concernant un hétérodimère CARM1/PRMT1. Nous avons trouvé que PRMT1 et CARM1 sont surexprimées dans le cancer du poumon non à petites cellules et dans 2 lignées d'adénocarcinomes pulmonaires, A549 et H1299. Les siPRMT1 réduisent la prolifération cellulaire et facilitent la différentiation. Les siCARM1 produisent un effet similaire mais, comme ceci a déjà été décrit, suppriment l'expression de PRMT1 en plus de celle de CARM1. Ainsi, CARM1 peut-elle réduire la prolifération par un effet direct ou en inhibant PRMT1. Ce résultant souligne l'intérêt d'étudier la formation de l'hétérodimère CARM1/PRMT1. Nous avons trouvé que dans les cellules A549, CARM1 n'est pas phosphorylée sur la sérine 228, interagit avec PRMT1, méthyle les promoteurs de 2 gènes cibles (Sox2 et Nanog) et est localisée dans le noyau. Dans les cellules H1299, CARM1 est phosphorylée sur la sérine 228, n'interagit pas avec PRMT1, ne méthyle pas les promoteurs de Sox2 et Nanog et est localisée dans le cytoplasme. L'inhibition de la kinase MAP2K3 empêche la phosphorylation de CARM1 sur la sérine 228 et restaure l'interaction CARM1/PRMT1 dans les cellules H1299. En conclusion, l'invalidation de PRMT1 réduit la prolifération dans les cancers du poumon. L'invalidation de CARM1 réduit aussi la prolifération probablement par l'intermédiaire de la suppression de PRMT1. Nous suggérons que MAP2K3 est la kinase qui phosphoryle CARM1 sur la sérine 228 et que cette phosphorylation inhibe l'interaction CARM1/PRMT1. La formation de l'hétérodimère CARM1/PRMT1 pourrait constituer un moyen pour réguler l'activité de ces 2 enzymes / PRMT1 and CARM1 are 2 Protein Arginine MethylTransferases (PRMTs) implicated in cell proliferation and deregulated in cancer. Dimerisation is a conserved feature in the PRMT family. PRMT1 and CARM1 cooperate in gene regulation but CARM1/PRMT1 heterodimer is not yet characterised. We report that, PRMT1 and CARM1 are overexpressed in non-small cell lung cancer samples and in 2 lung adenocarcinoma cell lines, A549 and H1299. siPRMT1 reduce proliferation and promote differentiation. siCARM1 yield similar consequences but, as this was previously described, suppress PRMT1 expression in addition to CARM1 expression. Thus CARM1 might reduce proliferation by a direct effect or alternatively through PRMT1 suppression. This result reinforces the interest of investigating the CARM1/PRMT1 heterodimer formation. We found that in A549 cells, CARM1 is not phosphorylated at serine 228, interacts with PRMT1, methylates the promoter of 2 target genes (Sox2 and Nanog) and is localized in the nucleus. In H1299 cells, CARM1 is phosphorylated at serine 228, does not interact with PRMT1, does not methylate Sox2 and Nanog promoters and is localized in the cytoplasm. Inhibition of the kinase MAP2K3 prevents the phosphorylation of CARM1 at serine 228 and restores CARM1/PRMT1 interaction in H1299 cells. In conclusion, we propose that PRMT1 knock-down reduces proliferation in lung cancer. CARM1 knock-down reduces proliferation probably through the suppression of PRMT1. We suggest that MAP2K3 is the candidate kinase that phosphorylates CARM1 at serine 228 and that phosphorylation inhibits CARM1/PRMT1 interaction. CARM1/PRMT1 heterodimer formation might be a way of regulating the activities of these enzymes

Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i l'ús d'una sonda miniaturitzada de silici per a la mesura de la impedància elèctrica de teixits vius tous. El propòsit d'aquestes mesures d'impedància és la monitorització en temps real del dany isquèmic per a aplicacions com la cirurgia cardíaca o el trasplantament d'òrgans. Actualment, el rang de mètodes aplicables a nivell clínic per tal de detectar l'isquèmia tissular és limitat i no existeix cap mètode pràctic que permeti la quantificació en temps real de l'efecte d'aquesta isquèmia, això és, el dany isquèmic. En aquest sentit, la monitorització de la impedància elèctrica sembla esperançadora i el treball d'aquesta tesi contribueix al camp mitjançant el desenvolupament de nous instruments i mètodes i mitjançant l'aportació de noves dades experimentals i eines per a la comprensió de la relació entre la patofisiologia i la impedància elèctrica. Les principals contribucions d'aquesta tesi es resumeixen a continuació.En aquesta tesi, es descriu el desenvolupament d'una sonda que formada per quatre elèctrodes de platí (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) a sobre d'un substrat de silici en forma d'agulla ( longitud d'inserció = 9 mm i secció de 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m). Els elèctrodes estan situats a una distància de separació no constant per tal de millorar la relació senyal-soroll i la resolució espacial. Es realitza una deposició electroquímica de platí negre sobre els elèctrodes per tal de reduir la impedància de la interfície i millorar la qualitat de les mesures. En el cas dels teixits vius, la banda freqüencial de mesura va dels 100 Hz fins als 100 kHz. Un mètode nou per a la mesura d'impedància a cinc elèctrodes es presenta i s'analitza. Amb aquest mètode, es pretén minimitzar l'error a baixes freqüències degut a l'elevada impedància de la interfície elèctrode-electròlit. Malauradament, encara que aquest mètode a cinc elèctrodes funciona, s'han trobat algunes limitacions que el fan quasi impracticable en el cas dels teixits vius.També es presenta el desenvolupament i l'ús d'un paquet de programari per a simular la impedància elèctrica dels teixits vius en les regions de dispersió &#61537; i &#61538;. Aquest programari es basa en la generació d'arxius SPICE a partir de l'especificació d'alguns paràmetres numèrics relacionats amb el teixit i el dibuix d'un mapa bi-dimensional que representa un tall de teixit. El resultat més significatiu d'aquest simulador és que és capaç d'obtenir respostes compatibles amb l'equació de Cole a partir d'un model basat únicament en resistències i capacitats.S'han realitzat diversos estudis experimental fent servir la sonda de silici. En aquesta tesi únicament es presenten els estudis amb ronyons de rata. Els resultats confirmen les principals observacions fetes anteriorment per altres investigadors que han treballat amb diferents animals, òrgans i protocols. Això vol dir, en termes generals, un increment significatiu de la magnitud de la impedància elèctrica a baixes freqüències (< 10 kHz) durant el desenvolupament del procés isquèmic que s'associa a l'inflament cel·lular o al tancament de les unions inter-cel·lulars (gap junctions). Malgrat això, aquí també s'observa que un paràmetre derivat de la caracterització espectroscòpica de la impedància segons el model Cole, el paràmetre &#61537;, normalment ignorat per molts autors, és capaç de detectar alguns fets que no són detectats per la resta de paràmetres derivats de l'estudi de la impedància. Concretament es mostra que el valor de &#61537; podria estar relacionat amb la morfologia de l'espai extracel·lular i es demostra experimentalment que &#61537; pot ser modificat per una alteració induïda del citosquelet cel·lular.Addicionalment, aquesta tesi inclou un annex que tracta de facilitar la comprensió de la monitorització de la bioimpedància elèctrica a aquells amb formació en ciències de la vida. / This thesis is focused on the development and use of a miniaturized silicon probe for electrical impedance measurements of soft living tissues. The purpose of those impedance measurements is to monitor the ischemia injury for applications such as cardiac surgery or organ transplantation.Currently, the range of clinically available methods to detect tissue ischemia is limited and there is not any practical method to quantify in an on-line manner the effect of such ischemia, that is, the ischemia injury. In this sense, electrical impedance monitoring seems very promising and this thesis contributes to the field by developing new instruments and methods and by providing novel experimental results and tools to understand the relation between pathophysiology and electrical impedance. The main contributions of this thesis are summarized below.In this thesis, it is presented the development of a silicon probe that consists of four platinum electrodes (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) on a needle shaped silicon substrate (9 mm insertion length, 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m cross section). The electrodes are placed at non-constant separation distance in order to enhance signal-to-noise ratio and spatial resolution. An electrochemical deposition of platinum black on the electrodes is performed in order to reduce the interface impedance and improve the quality of the measurements. For living tissue measurements, the useful measurement band goes from 100 Hz to 100 kHz.A novel measurement method based on five electrodes is described and analyzed. It is intended to minimize errors at low frequencies caused by the high electrode-electrolyte interface impedances. Unfortunately, although this five-electrode method works, some limitations have been found that made almost impossible its implementation for living tissue measurements.It is also presented a custom developed software package to simulate the electrical impedance of living tissues at the &#61537; and &#61538; dispersion regions. It is based on the generation of a SPICE netlist from the specification of some numerical parameters concerning the tissue and a bi-dimensional map representing a slice of tissue. Some examples are provided to demonstrate its feasibility. The most significant result is that the simulator is able to obtain Cole compatible behaviours from models based on simple resistances and capacitances. Several experimental studies have been performed by using the silicon probe. In this thesis only the experiments carried out on rat kidneys are presented. The results confirm the main observations made by previous researchers working with other animals, organs and protocols. That is, in general terms, a significant increase of impedance magnitude at low frequencies (<10 kHz) during the course of ischemia that is related to cell swelling or gap junctions closure. However, here it is also observed that a parameter from impedance spectroscopy characterization according to the Cole model, the &#61537; parameter, which is often ignored, is able to detect some events that are not revealed by other impedance parameters. It is shown that the &#61537; value could depend on the extracellular space morphology and it is experimentally demonstrated that &#61537; is modified by an induced alteration of cells cytoskeleton.This thesis includes an annex that tries to facilitate the understanding of electrical bioimpedance monitoring for life-sciences practitioners.Another annex describes the instrumentation systems that were developed for electrical impedance measurements based on the four-electrode method.