Noninvasive measurement of hemodynamics at the microvascular level may have a great impact on oncology in clinics for diagnosis, therapy planning and monitoring, and, in preclinical studies. To this end, diffuse optics is a strong candidate for noninvasive, repeated, deep tissue monitoring. In this multi-disciplinary, translational work, I have constructed and deployed hybrid devices which are the combination of two qualitatively different methods, near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS) and diffuse correlation spectroscopy (DCS), for simultaneous measurement of microvascular total hemoglobin concentration, blood oxygen saturation and blood flow. In a preclinical study, I applied the hybrid device to monitor the response of renal cell carcinoma in mice to antiangiogenic therapy. The results suggest that we can predict the output of therapy from early hemodynamic changes, which provide us with valuable information for better understanding of the tumor resistance mechanism to antiangiogenic therapies. In two in vivo studies in human volunteers, I have developed protocols and probes to demonstrate the feasibility of noninvasive diffuse optical spectroscopy to investigate the pathophysiology of bone. First study was study on the physiology of the patella microvasculature, the other introduced the manubrium as a site that is rich in red bone mar- row and accessible to diffuse optics as a potential window to monitor the progression of hematological malignancies. Overall, during my Ph.D., I have developed instrumentation, algorithms and protocols and, then, applied this technique for preclinical and clinical investigations. My research is a link between preclinical and clinical studies and it opens new areas of applications in oncology. / La medición no invasiva de la hemodinámica a nivel microvascular puede alcanzar un gran impacto en oncología: en las clínicas para el diagnóstico, la planeación y monitorización de las terapias, y en estudios preclínicos. La óptica difusa es una fuerte candidata para la monitorización no invasiva y repetida del tejido profundo. En este trabajo multidisciplinario y traslacional, construí e implementé dispositivos híbridos que son la combinación de dos métodos cualitativamente diferentes: espectroscopía infrarroja de óptica difusa -near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS)- y espectroscopía de correlación de luz difusa -diffuse correlation spectroscopy (DCS)-. Estos híbridos permiten la medición simultánea de la concentración de hemoglobina total en sangre, la saturación de oxígeno y el flujo sanguíneo. En un estudio preclínico, apliqué el dispositivo híbrido para monitorizar la respuesta de carcinomas de células renales, implantados en ratones, a terapias antiangiogénicas. Los resultados sugieren que podemos predecir la evolución de la terapia con base en cambios hemodinámicos tempranos, lo cual proporciona información valiosa para un mejor entendimiento del mecanismo de resistencia de los tumores a las terapias antiangiogénicas. En dos estudios in vivo realizados en pacientes voluntarios, desarrollé protocolos y sondas para demostrar la viabilidad de la espectroscopía de óptica difusa no invasiva en el estudio de la patofisiología ósea. El primer estudio se concentró en la fisiología microvascular de la rótula y en el otro se muestra que el manubrio, hueso rico en médula ósea roja, es un sitio accesible para la óptica difusa, y se presenta como una ventana para monitorizar la progresión de enfermedades hematológicas malignas. En resumen, durante mi trabajo doctoral, desarrollé instrumentación, algoritmos y protocolos que posteriormente apliqué en estudios preclínicos y clínicos. Mi trabajo de investigación constituye así un enlace entre estos estudios y abre nuevas áreas de aplicación en oncología.

An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source. / En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.

This paper aims to describe a methodology of calculation based on a vector analysis to characterize and simulate light pollution emitted by outdoor lighting installation in a particular case. The initial approach was performed, identifying pollution sources in a city, and classifying the case studies in terms of geometric place analyzed characteristics, the photometric characteristics of luminaires, Reflections flow pavement reflections side walls and the presence of street trees. Then the collected data were treated by computer, and simulations of case studies with the help of a lighting software calculation is performed. The values extracted in the previous step is processed considering the vector methodology proposed, and were plotted in a polar curve or resulting global photometry. The results obtained in developing this methodology allowed quantify, model and analyze the spatial distribution of the light intensity emitted in no useful addresses, caused by different types of artificial lighting facilities in terms of urban structure analyzed. / El presente trabajo tiene como objetivo describir una metodología de cálculo basada en un análisis vectorial, que permite caracterizar y simular la Contaminación Lumínica emitida por una instalación de alumbrado exterior en un caso determinado. Para ello se realizó un planteamiento inicial, identificando los focos contaminantes en una población, y clasificando los casos de estudio teniendo en cuenta: las características geométricas del lugar analizado, las características fotométricas de las luminarias, las reflexiones del flujo en pavimentos, las reflexiones en paredes laterales y la presencia de arbolado viario. Posteriormente los datos recogidos se trataron informáticamente, y se realizaron simulaciones de los casos de estudio con la ayuda de un programa de cálculo lumínico. Los valores extraídos en el paso anterior se procesaron teniendo en cuenta la metodología vectorial propuesta, y se graficaron en una curva polar o fotometría global resultante. Los resultados obtenidos al desarrollar esta metodología permitieron cuantificar, modelizar y analizar la distribución espacial de la intensidad luminosa emitida en direcciones no útiles, causado por los diferentes tipos de instalaciones de alumbrado artificial en función de la estructura urbana analizada.

Since its discovery in 1928, Raman spectroscopy (RS) has produced a revolution in the fields of analytical chemistry and molecular detection. Thanks to the latest technical advances, the expectations of the applicability of RS in biology have increased. Most recently, RS emerged as an important candidate technology to detect and monitor the evolution of the biochemical content in biomedical samples non-invasively and with high specificity. However, the inherent properties of Raman scattering have limited its full exploitation for biomedical applications. In the past decade, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) and multivariate analysis have emerged as possible solutions for overcoming the low efficiency and the complexity of the Raman signals obtained from biological material. Until 2009, only a few studies had been reported using multivariate approaches, and these techniques were only employed to group different types of samples. Moreover, although the SERS effect was demonstrated for cells, SERS probes were not used in their full capacity to study complex biological processes inside cells. This thesis is a step towards combining and using statistical analysis and SERS to expand the applicability of RS in biochemistry: from single molecule to cell and tissue level. This mehtodology could reveal novel insights, otherwise inaccessible using previous techniques. Specifically, we began studying the changes in Raman spectra of a single DNA molecule and a RBC under stretching employing optical tweezers. SERS and statistical techniques such as 2D correlation and PCA were used to reveal important structural properties of those biological materials. An experiment to study intracellular pH changes in glioma cells after Photodynamic Treatment (PDT) was performed by using SERS probes embedded in the cells. The evolution in the SERS spectra was analyzed using 2D correlation. To the best of our knowledge, this study represents the first use of the 2D correlation technique to study cellular SERS spectra. Furthermore, more complex systems were investigated, to reveal the molecular evolution of cells or tissues undergoing a biochemical process. PCA was used to study how lipid metabolism varied in different breast cancer cell lines depending on the degree of malignancy. However, PCA does not provide meaningful components that could be assigned directly to molecular Raman spectra. Consequently, Multivariate Curve Resolution (MCR) was proposed and applied to extract physically and chemically meaningful molecular components that changed in cancer cells during the Epithelial to Mesenchymal transition (EMT). We monitored the retina composition ex-vivo when neuroinflammation was induced. Our study was the first application of MCR to decompose and monitor the molecular content of biological tissue with RS. Biomarkers for the early detection of neuroinflammation processes were identified and monitored. This is the first step in establising of a non-invasive and rapid screening technique for the early detection of multiple sclerosis or other neurodegenerative diseases in patients. Finally, the flexibility of MCR-ALS algorithm was exploited to remove the presence of background signals in Raman spectra of cytological studies that mask and degrade the results of a statistical analysis. Application of MCR-ALS enabled identification of molecular components that play an important role in the progression of breast cancer cells towards bone metastasis. This research demonstrated a powerful method that adds a new dimension to the field of analytical chemistry. Sensitive and highly specific information can be extracted non-invasively, rapidly, and without sample preparation. The samples can be monitored in vivo, quantifying molecular components difficult or impossible to obtain with current technology. / Desde que se descubrió la espectroscopia de Raman (ER) en 1928, esta técnica ha producido una revolución en el área de química analítica. Gracias a los últimos avances técnicos, las expectativas de aplicar ER en biomedicina han aumentado. La posibilidad de detectar y monitorizar la evolución del contenido bioquímico en muestras biomédicas de forma no invasiva con alta especificidad se ha convertido en una visión a perseguir. Sin embargo, las propiedades inherentes a la dispersión Raman han inhibido su completa explotación para aplicaciones biomédicas. En la última década, Surface Enhanced Raman spectroscopy (SERS) y el análisis multivariante se han erigido como posibles soluciones para superar la baja eficiencia y la complejidad de las señales Raman de material biológico. Hasta 2009, estas técnicas no habían sido explotadas para su uso en aplicaciones biomédicas. La presente tesis representa un paso hacia la combinación y el uso de análisis estadísticos y SERS para expandir la aplicabilidad de la ER en bioquímica: desde moléculas individuales hasta células y tejidos. Nuevos descubrimientos inaccesibles a técnicas bioquímicas usadas habitualmente, se han podido revelar con esta metodología. En concreto, empezamos estudiando cambios en el espectro Raman de una molécula individual de ADN y un glóbulo rojo (RBC) sometidos a diferentes estiramientos por medio de pinzas ópticas. Se han utilizado SERS y técnicas estadísticas como correlación 2D (2DC) y Análisis de Componentes Principales (PCA) para revelar importantes propiedades estructurales de esos materiales biológicos. Se realizó un experimento para estudiar los cambios de pH intracelulares en células gliales después del tratamiento fotodinámico (PDT) utilizando sondas SERS implantadas en el interior de las células. La evolución del espectro SERS fue analizado utilizando 2DC. Hasta donde sabemos, este estudio representa el primer uso de la técnica 2DC para estudiar espectros SERS celulares. Además, se han investigado sistemas más complejos para revelar la evolución molecular de células y tejidos a lo largo de un proceso bioquímico. Con este objetivo, se utilizó el PCA para estudiar el metabolismo lipídico en diferentes líneas celulares de cáncer de mama relacionándolo con su grado de malignidad. No obstante, el PCA no proporciona componentes significativos que podrían ser asignados directamente a espectros moleculares Raman. En consecuencia, se propuso la Multivariate Curve Resolution (MCR) para extraer componentes moleculares con significado físico y químico que cambiaban en las células cancerígenas durante la transición epitelio-mesenquima (EMT). En otra aplicación, se monitorizó la composición de la retina ex-vivo cuando se inducía una neuroinflamación. Nuestro estudio representaba la primera aplicación de MCR para descomponer y monitorizar el contenido molecular de un tejido biológico con ER. Se identificaron biomarcadores para la detección precoz de procesos neuroinflamatorios. Esto representa el primer paso hacia el establecimiento de una técnica no-invasiva y de diagnostico temprano de esclerosis múltiple u otras enfermedades neurodegenerativas en pacientes. Finalmente, se explotó la flexibilidad del algoritmo MCR-ALS para eliminar la presencia de ruido de fondo en el espectro de Raman para estudios citológicos que enmascaran y degradan los resultados del análisis estadístico. Gracias a eso, se pudieron identificar nuevos componentes moleculares que ejercían un papel muy importante en la progresión de células de cáncer de mama hacia la metástasis ósea. Esta investigación ha revelado un potente método que añade una nueva dimensión al campo de la química analítica. Se ha podido extraer información con alta especificidad y sensibilidad de forma no invasiva, rápida y sin preparación especial de la muestra. Las muestras pueden ser monitorizadas in vivo, cuantificando sus componentes moleculares difíciles o imposibles de extraer con la tecnología actual.

Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / While super-resolution microscopy has brought a significant improvement in nano-scale imaging of molecular assemblies in biological media, its extension to imaging molecular orientation using fluorescence anisotropy has not yet been fully explored. Providing orientational order information at the nano-scale would be of considerable interest for the understanding of biological functions since they are intrinsically related to structural fundamental processes such as in protein clustering in cell membranes, supra-molecular polymerization or aggregation. In this thesis, we propose a super-resolution polarization-resolved microscopy technique able to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments, in order to report structural information at the single molecule level and at nanometric spatial scale. Using direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM) in combination with polarized detection, fluorescence anisotropy images are reconstructed at a spatial resolution of a few tens of nanometers. We analyze numerically the principle of the method in combination with models for orientational order mechanisms, and provide conditions for which this information can be retrieved with high precision in biological samples based on fibrillar structures. Finally, we propose an alternative technique based on stochastic fluctuations of single molecules: polarized super-resolution optical fluctuation imaging (polar-SOFI), and compare this approach with the previous one in terms of information gained and spatial resolution. We illustrate both techniques on molecular order imaging in actin stress fibers and tubulin fibers in fixed cells, DNA fibers and insulin amyloid fibrils. / La microscopía de súper resolución ha aportado una mejora significativa en la imagen, a escala nanométrica, de ensambles moleculares en medios biológicos. Sin embargo, su extensión, mediante la utilización de la anisotropía de fluorescencia para la obtención de imágenes de orientación molecular, aún no ha sido explorada a fondo. El proporcionar información sobre la orientación molecular a escala nanométrica es de gran interés para la comprensión de las funciones biológicas. Esta información está intrínsecamente relacionada con la estructura de los ensamblajes de proteínas en las membranas celulares, la polimerización y la agregación supra molecular, entre otros. En esta tesis, proponemos una técnica de microscopía de luz polarizada de súper resolución, la cual permite visualizar el comportamiento de la orientación molecular en ambientes dinámicos y estáticos. El objetivo final es el de poder reportar información estructural a nivel de molécula única y escala espacial nanométrica. Utilizando microscopía de reconstrucción óptica estocástica (dSTORM) en combinación con detección polarizada, las imágenes de anisotropía de fluorescencia son reconstruidas con una resolución espacial de varias decenas de nanómetros. Además, el principio del método ha sido validado numéricamente en combinación con modelos de mecanismos de orientación molecular y delimitando las condiciones en que esta información se puede obtener con una precisión alta en muestras biológicas, principalmente en estructuras fibrilares. Así también, se propone una técnica alternativa basada en la emisión de fluctuaciones estocásticas de moléculas individuales: imagen de polarización con súper resolución de fluctuaciones (polar-SOFI). Además comparamos esta técnica con la anterior, en términos de la información obtenida y la resolución espacial. Finalmente, ilustramos ambas técnicas para la obtención de imágenes del orden molecular de fibras de estrés de actina y tubulina en células fijas, fibras de ADN y fibrillas de insulina amiloide. / Alors que la microscopie super-résolue a apporté une amélioration considérable en imagerie des assemblages moléculaires dans les milieux biologiques à l'échelle nanométrique, son extension à l'imagerie de l'orientation moléculaire, utilisant l'anisotropie de fluorescence, n'a pas encore été complètement explorée. Apporter une information sur l'orientation moléculaire à l'échelle nanométrique aurait un intérêt considérable pour la compréhension des functions biologiques, puisque celles-ci sont fortement reliée à la structure des assemblages de prot éines dans les membranes cellulaires, la polymérisation ou l'aggrégation supramol éculaire par exemple. Dans cette thèse, nous proposons une technique de microscopie super-résolution résolue en polarisation, capable d'imager les comportements d'orientation moléculaire dans des environnements statiques et dynamiques, dans le but de rapporter une information structurale à l'échelle de la molécule unique et à des échelles spatiales nanométriques. En utilisant la microscopie par reconstruction stochastique (dSTORM) en combinaison avec une détection polarisée, des images d'anisotropie de fluorescence sont reconstruites avec une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Nous analysons numériquement le principe de la méthode en combinaison avec des modèles des mécanismes d'orientation moléculaire, et donnons les conditions auxquelles cette information peut être obtenue avec une grande précision dans des échantillons biologiques basés sur des structures fibrillaires. Enfin, nous proposons une technique alternative basée sur l'émission de molécules uniques en fluctuations stochastiques: l'imagerie super-résolue polarisée par fluctuations (polar-SOFI), et comparons cette approche avec la précédente en terme d'information gagnée et de résolution spatiale. Nous illustrons les deux techniques pour l'imagerie de l'ordre moléculaire dans des fibres de stress d'actin et de tubuline dans des cellules fixées, des fibres d'ADN et des fibrilles d'amyloid à base d'insuline.

The study of the brain using diffuse optical methods has progressed rapidly in the recent years. The possibility of studying the cerebral microvasculature in addition to the portability and low cost of these devices, opens a new door in the study of the cerebral pathophysiologies. In this scenario, the study of the cerebral hemodynamics of ischemic patients might allow neurologists to improve the performance of the early medical treatments and therapies used up to date. In this thesis, I have conducted a pioneering study where cerebral autoregulation was studied in ischemic stroke patients during the early hours after the stroke. Similarly, some other diseases can provoke impaired cerebral autoregulation in the long term. One of them is the obstructive sleep apnoea (OSA) syndrome which can provoke a risk increase of developing cardiovascular diseases and ischemic stroke. In this regards, I have carried out the largest to date study conducted with Diffuse Correlation Spectroscopy in patients with OSA and I have compared their hemodynamical response to an orthostatic challenge test with a control group of healthy subjects. Finally, primary animal research is of great importance in the development of new therapies, medical strategies and in the validation of new drugs with the aim of reducing the high mortality and slow and costly recovery of ischemic patients. In consequence, many models of ischemia are reproduced in rodents where the cerebral hemodynamics are studied using expensive equipments such as MRI scanners or by techniques that involve invasive approaches like for instance removing the scalp or thinning the skull which in turn cause a worsening in the living conditions of the animal. In relation to this point, I have developed a fully non-invasive method to study the cerebral hemodynamics in rats that allows to proceed with longitudinal studies and which I hope will be useful in future biomedical research. / El estudio del cerebro mediante métodos de óptica difusa ha progresado rápidamente en los últimos años. La posibilidad de estudiar la microvasculatura cerebral junto con la portabilidad y bajo coste de estos equipos abre una ventana de posibilidades para el estudio de fisiopatologías cerebrales. En este escenario, el estudio de la hemodinámica cerebral en pacientes isquémicos podría permitir a los neurólogos mejorar el rendimiento de los tratamientos médicos tempranos y de las terapias utilizadas hasta la fecha. En esta tesis he realizado un estudio pionero al respecto, estudiando por primera vez la hemodinámica cerebral de pacientes isquémicos durante las primeras horas después del infarto cerebral. De igual manera, existen otro tipo de enfermedades que pueden desarrollar un empeoramiento a largo plazo de la autorregulación cerebral. Entre ellas destaca el síndrome de apnea obstructivo (SAO), debido al cual el empeoramiento de la hemodinámica cerebral provoca un aumento del riesgo directo de sufrir enfermedades cardiovasculares y un aumento del riesgo de infarto cerebral. Al respecto, he llevado a cabo el mayor estudio hasta la fecha con pacientes con SAO donde he estudiado su respuesta hemodinámica a un test ortostático comparado estos resultados con los obtenidos en grupo de control de pacientes sanos. Finalmente, la investigación primaria en animales es de vital importancia en el desarrollo de nuevas terapias y estrategias médicas así como en la validación de nuevos fármacos que reduzcan la alta mortalidad y la lenta y costosa recuperación de los pacientes isquémicos. En consecuencia, numerosos modelos de isquemia son reproducidos en roedores donde se estudia la hemodinámica cerebral mediante caros equipos como los resonadores magnéticos o mediante técnicas que implican someter al animal a cierta cirugía en la que se le sustrae el cuero cabelludo o se le lima el cráneo. En relación con esto último, he desarrollado un método completamente no invasivo para estudiar la hemodinámica cerebral en ratas y que permite llevar a cabo estudios longitudinales, el cual espero sea utilidad en futuras investigaciones biomédicas.