Pseudomonas aeruginosa is a metabolically versatile environmental bacterium that grows in extremely diverse habitats—from sea water to jet fuel—and is able to infect a large variety of organisms. It is a significant cause of human disease and is one of the most frequent healthcare-associated infections. P. aeruginosa uses a sophisticated gene regulatory network to adapt its growth strategy to these diverse environmental niches and the fluctuating conditions it encounters therein. The las and rhl “quorum sensing” (QS) intercellular communication systems play integral roles in this regulatory network and control the expression of factors important to the bacterium’s ecological fitness, including many secreted factors involved in nutrient acquisition, microbial competition, and virulence. These QS systems use diffusible acyl-homoserine lactone (AHL) signalling molecules to infer environmental parameters, including bacterial population density, and to coordinate behaviour across bacterial communities. This dissertation describes an investigation into the relationship between QS and small molecule primary metabolism, using metabolomic methods based on nuclear magnetic resonance spectroscopy and mass spectrometry. Analysis of extracellular metabolic profiles (the bacteria’s “metabolic footprint”) established that QS can modulate the uptake and excretion of primary metabolites and that this effect was strongest during the transition from exponential to stationary phase cell growth. Analysis of the cellular metabolome and proteome demonstrated that QS affected most major branches of primary metabolism, notably central carbon metabolism, amino acid metabolism and fatty acid metabolism. These data indicate that QS repressed acetogenesis and the oxidative C02-evolving portion of the TCA cycle, while inducing the glyoxylate bypass and arginine fermentation. QS also induced changes to fatty acid pools associated with lower membrane fluidity and higher chemical stability. Elevated levels of stress-associated polyamines were detected in QS mutants, which may be a consequence of a lack of QS-dependent adaptations. These findings suggest that wild-type QS directs metabolic adaptations to stationary phase stressors, including oxidative stress. Previous work, including several transcriptomic studies, has suggested that QS can play a role in primary metabolism. However, there has been no previous study of the global impact of AHL QS on the metabolome of P. aeruginosa. Research presented here demonstrates that QS induces a global readjustment in the primary metabolism and provides insight into QS- dependent metabolic changes during stationary-phase adaptation.

Made available in DSpace on 2015-07-22T20:50:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-06-24. Added 1 bitstream(s) on 2015-08-11T03:26:25Z : No. of bitstreams: 1 Publico-255a.pdf: 1186797 bytes, checksum: 41b96e53cd652f6b6ffabd82d811f7a4 (MD5). Added 1 bitstream(s) on 2015-08-11T03:26:25Z : No. of bitstreams: 2 Publico-255a.pdf: 1186797 bytes, checksum: 41b96e53cd652f6b6ffabd82d811f7a4 (MD5) Publico-255b.pdf: 1368757 bytes, checksum: 6734ee9b86540c0b4d510b3e0f7f34b9 (MD5). Added 1 bitstream(s) on 2015-08-11T03:26:25Z : No. of bitstreams: 3 Publico-255a.pdf: 1186797 bytes, checksum: 41b96e53cd652f6b6ffabd82d811f7a4 (MD5) Publico-255b.pdf: 1368757 bytes, checksum: 6734ee9b86540c0b4d510b3e0f7f34b9 (MD5) Publico-255c.pdf: 1470895 bytes, checksum: beb407fd30ddc4b8b3730d2ec8fd0c94 (MD5) / Objetivo: As bases neuroanatômicas e as anormalidades bioquímicas subjacentes à epilepsia mioclônica juvenil (EMJ) não são totalmente conhecidas. Apesar de o tálamo atuar na sincronização de diversas regiões do córtex cerebral durante uma crise, há evidências sugerindo que nem todos os neurônios corticais são afetados de forma homogênea. Compreender a participação destas redes neuronais específicas na EMJ pode esclarecer alguns de seus mecanismos fisiopatológicos. O objetivo deste estudo foi investigar as diferenças metabólicas e estruturais cerebrais entre pacientes com EMJ e controles normais. Métodos: Todos os pacientes possuíam o diagnóstico de EMJ baseado em história e semiologia das crises, eletrencefalografia (EEG), vídeo-EEG e neuroimagem por ressonância magnética (RM) convencional normal, conforme os critérios da Comissão de Classificação e Terminologia da International League Against Epilepsy, 1989. Sessenta pacientes com EMJ foram submetidos a protocolos de espectroscopia de prótons e morfometria baseada em voxels (VBM) por RM de 1,5 T. O grupo controle foi constituído por 30 voluntários saudáveis, pareados por sexo, idade e dominância manual. Este estudo foi realizado após aprovação do comitê de ética da instituição e obtenção de consentimento informado, por escrito, de todos os participantes. Resultados: Demonstrou-se redução da razão de N-acetilaspartato/Creatina (NAA/Cr) dos pacientes com EMJ em relação ao grupo controle nos córtices frontal, pré-frontal e no tálamo. Observou-se diferença na razão do complexo glutamato-glutamina (GLX)/Cr nos córtices frontal, pré-frontal, ínsula, corpo estriado e cíngulo posterior entre os dois grupos. Análise por regressão múltipla nos pacientes com EMJ demonstrou maior correlação funcional entre o tálamo e o córtex pré-frontal. Também foi encontrada correlação negativa entre NAA/Cr e a duração da epilepsia. Análise estrutural quantitativa por VBM demonstrou redução do volume da substância cinzenta no tálamo, ínsula e cerebelo bilateralmente e aumento do volume do córtex frontal nos pacientes. Conclusões: O comprometimento de algumas regiões cerebrais nestes pacientes sugere envolvimento de um circuito tálamo-cortical específico na fisiopatologia desta síndrome, considerada “generalizada”. Reduções em NAA podem representar perda ou lesão de neurônios ou axônios bem como disfunções metabólicas, enquanto o GLX é considerado um neurotransmissor excitatório, envolvido na patogênese das crises epilépticas. As anormalidades estruturais encontradas reforçam a existência de uma rede ictogênica anátomo-funcional específica na EMJ e o conceito de ‘system epilepsies’. / Purpose: The neuroanatomical basis and the neurochemical abnormalities that underlie juvenile myoclonic epilepsy (JME) are not fully understood. While the thalamus plays a central role in synchronization of widespread regions of the cerebral cortex during a seizure, emerging evidence suggests that all cortical neurons may not be homogeneously involved. The purpose of this study was to investigate the cerebral metabolic and structural differences between JME patients and normal controls. Methods: All patients had a JME diagnosis based on seizure history and semiology, EEG recording, normal magnetic resonance neuroimaging (MRI) and video-EEG according to the Commission on Classification and Terminology of the International League Against Epilepsy, 1989. Sixty JME patients (JME-P) were submitted to 1.5 T MRI multi-voxel proton spectroscopy and voxel-based morphometry (VBM). The control group consisted of 30 age and sex-matched healthy volunteers. The Institutional Ethics Committee approved the study, and informed consent was obtained from all participants. Results: Group analysis demonstrated lower N-acetyl-aspartate/Creatine (NAA/Cr) ratio among patients compared to controls on prefrontal, frontal cortices and thalamus. Patients had a statistically significant difference in glutamate-glutamine complex (GLX)/Cr on prefrontal and frontal cortices, insula, striatum and posterior cingulate gyrus. When evaluating the relationship among the various components of this epileptic network among JME-P, the strongest correlation occurred between thalamus and prefrontal cortex and a significant negative correlation between NAA/Cr and duration of epilepsy was found. Also, VBM demonstrated significantly reduced gray matter volume (GMV) in thalami, insula cortices and cerebellar hemispheres bilaterally; while significantly increased GMV was observed in right superior frontal, orbitofrontal and medial frontal gyri among JME-P when compared to controls. Conclusions: The identification of a specific network of neurochemical dysfunction and slight structural abnormalities in patients with JME, with diverse involvement of particular structures within the thalamocortical circuitry, suggests that cortical hyperexcitability in JME is not necessarily diffuse, supporting the knowledge that the focal/generalized distinction of epileptogenesis should be reconsidered and reinforcing the concept of ‘system epilepsies’. / TEDE / BV UNIFESP: Teses e dissertações

Abstract The rare-earth elements (REEs) and bismuth, being classified as the ‘most critical raw materials’ (European Raw Materials Initiatives, 2017), have a high economic importance to the EU combined with a high relative supply risk. REEs are highly important for the evolving technologies such as clean-energy applications, high-technology components, rechargeable batteries, permanent magnets, electric and hybrid vehicles, and phosphors monitors. This scientific research work aims at building a fundamental knowledge base concerning the electronic/molecular structure and properties of rare-earth element (REE) and bismuth complexes with dithiocarbamate (DTC) and 1,10-phenanthroline (PHEN) by employing state-of-the-art experimental techniques such as nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) techniques together with ab initio quantum mechanical computational methods. This combination of methods has played a vital role in analysing the direct and significant effect of the heavy metal ions on the structural and magnetic resonance properties of the complexes, thereby, providing a framework of structure elucidation. This is of special importance for REEs, which are known to exhibit similar chemical and physical properties. The objectives of the work involve i) a systematic investigation of series of REE(III) as well as bismuth(III) complexes to get a profound understanding of the structure-properties relationship and ii) to find an appropriate theoretical modelling and NMR calculation methods, especially, for heavy metal systems in molecular and/or solid-state. This information can later be used in surface interaction studies of REE/bismuth minerals with DTC as well as in design and development of novel ligands for extraction/separation of metal ions. The REE(III) and bismuth(III) complexes with DTC and PHEN ligands have all provided a unique NMR fingerprint of the metal centre both in liquid and solid phase. The solid-state ¹³C and ¹⁵N NMR spectra of the diamagnetic REE(III) and bismuth(III) complexes were in accord with their structural data obtained by single crystal XRD. The density functional theory (DFT) methods were used to get complementary and refined structural and NMR parameters information for all diamagnetic complexes in the solid-state. The relativistic contributions due to scalar and spin-orbit correlations for the calculated ¹H/¹³C/¹⁵N chemical shifts of REE complexes were analysed using two-component zeroth-order regular approximation (ZORA)/DFT while the ‘crystal-lattice’ effects on the NMR parameters were calculated by combining DFT calculations on molecular and periodic solid-state models. The paramagnetic REE complexes display huge differences in their ¹H and ¹³C NMR spectral patterns. The experimental paramagnetic NMR (pNMR) chemical shifts, as well as the sizable difference of the ¹H and ¹³C NMR shifts for these isoelectronic complexes, are well reproduced by the advanced calculations using ab initio/DFT approach. The accuracy of this approach is very promising for further applications to demanding pNMR problems involving paramagnetic f-block elements. The results presented in this thesis demonstrate that a multidisciplinary approach of combined experimental NMR and XRD techniques along with computational modelling and property calculations is highly efficient in studying molecular complexes and solids containing heavy metal systems, such as rare-earths and bismuth.

INTRODUÇÃO: As malformações do desenvolvimento cortical (MDC) resultam de distúrbios no dinâmico processo de corticogênese cerebral e são importante causa de epilepsia grave, atraso do desenvolvimento, déficits motores e cognitivos. O papel do metabolismo na epilepsia humana tem sido extensamente debatido, e há inúmeras evidências que apontam para disfunções bioenergéticas como fatores-chave na ictogênese. Distúrbios metabólicos foram identificados nas malformações corticais com outras modalidades de neuroimagem, tais como a espectroscopia de prótons por ressonância magnética. Para o nosso conhecimento, entretanto, o metabolismo de fósforo em pacientes com epilepsia secundária a MDC não foi extensamente investigado até o momento. OBJETIVOS: O objetivo deste estudo foi avaliar o metabolismo de fosfolipídios in vivo em uma série de pacientes com epilepsia e MDC. MÉTODO: Trinta e sete pacientes com MDC e 31 voluntários foram estudados usando espectroscopia de fósforo por ressonância magnética (31P-ERM) tridimensional em aparelho de 3,0 Tesla. Os voxels nas lesões foram comparados ao córtex frontoparietal dos controles (volumes efetivos de 12,5 cm3). O parênquima aparentemente normal foi avaliado em voxels homólogos de pacientes e controles, abrangendo cinco regiões cerebrais: regiões nucleocapsulares direita e esquerda, córtex frontoparietal parassagital, e centros semiovais direito e esquerdo. Foram utilizados métodos de quantificação para ajustar os dados no domínio do tempo para as seguintes ressonâncias: fosfoetanolamina (PE), fosfocolina (PC), glicerofosfoetanolamina (GPE), glicerofosfocolina (GPC), fosfato inorgânico (Pi), fosfocreatina (PCr), e a-, b- e g-adenosina trifosfato (ATP). Também foram calculados o ATP total (ATPt=a-+b-+g-ATP), fosfodiésteres (PDE=GPC+GPE), fosfomonoésteres (PME=PE+PC), e as razões PME/PDE, PCr/ATPt, e PCr/Pi. O magnésio (Mg2+) e os níveis de pH foram calculados com base nos desvios químicos da PCr, Pi, e -ATP. RESULTADOS: Comparativamente aos controles, e assumindo um valor de p < 0,05 estatisticamente significativo, as lesões apresentaram redução dos valores de pH e aumento de Mg2+. Também foram encontrados redução significativa de GPC e PDE, e aumento da relação PME/PDE nas MDC. O parênquima aparentemente normal também demonstrou redução dos valores de pH no córtex frontoparietal e no centro semioval bilateral. As diferenças nos valores de pH, tanto nas lesões como no parênquima aparentemente normal, permaneceram estatisticamente significativas nos subgrupos individuais de MDC (displasia cortical ou hemimegalencefalia; heterotopia; polimicrogiria e/ou esquizencefalia). Não houve correlação entre o tempo da última convulsão e as alterações do pH. CONCLUSÕES: O Mg2+ e o pH são parâmetros muito importantes na regulação bioenergética e estão envolvidos em múltiplas vias da atividade elétrica cerebral. Nossos dados corroboram a ideia de que distúrbios metabólicos ocorrem nas lesões focais de MDC, com propagação para áreas remotas aparentemente normais. As anormalidades de GPC, PDE, e da razão PME/PDE sugerem que há deficiências na renovação das membranas celulares nas lesões dos pacientes com epilepsia e MDC. / INTRODUCTION: Malformations of cortical development (MCD) result from disruptions in the dynamic process of cerebral corticogenesis and are important causes of severe epilepsy, neurodevelopmental delay, motor deficits and cognitive impairment. Metabolism in human epilepsy has been intensely debated, and there are several evidences pointing to brain bioenergetic disturbances as key factors in ictogenesis. Metabolic impairments in cortical malformations have been identified with other neuroimaging tools, such as proton magnetic resonance spectroscopy. To our knowledge, however, phosphorus metabolism in epilepsy caused by MCD has not been thoroughly investigated hitherto. OBJECTIVES: The aim of this study was to evaluate phospholipids metabolism in vivo in a series of patients with epilepsy and MCD. METHODS: Thirty-seven patients with MCD and 31 control subjects were studied using three-dimensional phosphorus magnetic resonance spectroscopy (31P-MRS) at a 3.0 T scanner. The voxels in the lesions were compared to the frontoparietal cortex of the control subjects (the effective volumes were 12.5 cm3). Normal appearing parenchyma was evaluated in homologous voxels of patients and controls encompassing five cerebral regions: right and left nucleocapsular regions, midline frontoparietal cortex and right and left semioval centers. Quantification methods were applied to fit the time-domain data to the following resonances: phosphoethanolamine (PE), phosphocholine (PC), glycerophosphoethanolamine (GPE), glycerophosphocholine (GPC), inorganic phosphate (Pi), phosphocreatine (PCr), and a-, b-, and g-adenosine triphosphate (ATP). We also estimated the total ATP (ATPt=a-+b-+g-ATP), phosphodiesters (PDE=GPC+ GPE), phosphomonoesters (PME=PE+PC), and the PME/PDE, PCr/ATPt, and PCr/Pi ratios. The magnesium (Mg2+) levels and pH were calculated based on PCr, Pi, and -ATP chemical shifts. RESULTS: Compared to controls and assuming that a p-value < 0.05 indicates significance, the MCD lesions exhibited lower pH values and higher Mg2+ levels. The lesions also presented significant reduction of GPC and PDE, and an increased PME/PDE ratio. The otherwise normal appearing parenchyma also demonstrated lower pH values in the frontoparietal cortex and bilateral centrum semiovale. The differences in pH values, both in the lesions and in the normal appearing parenchyma, remained statistically significant in individual subgroups of MCD (hemimegalencephaly or cortical dysplasia; heterotopia; polymicrogyria and/or schizencephaly). There was no correlation between the time of the last seizure and the pH abnormalities. CONCLUSIONS: Mg2+ and pH are very important in the regulation of bioenergetics and are involved in many electrical activity pathways in the brain. Our data support the idea that metabolic impairments occur in the lesions of MCD, with propagation to remote normal appearing parenchyma. The GPC, PDE, and PME/PDE abnormalities suggest that there are membrane turnover disturbances in MCD lesions.

Magnetic resonance spectroscopy (MRS) is a noninvasive technique that enables to follow metabolic processes in selected tissues in vivo. Recently the attention has been focused on metabolic mapping in target organs of insulin action to describe the pathophysiology of insulin resistance. The aim of our study was to present the practical application of ³¹P (phosphorus) MRS and ¹H (proton) MRS in metabolic studies of skeletal muscle in insulin resistant subjects and in subjects with impaired fasting glucose. The third study was aimed to evaluate the brain metabolism with ¹H MRS in healthy controls and subjects with type 1 diabetes during hyperinsulinemia. ¹H and ³¹P MRS were performed using a MR Scanner Siemens Vision operating at 1,5 Tesla. To assess the parameters of glucose metabolism and insulin action oral glucose tolerance test and hyperinsulinemic euglycemic clamp were performed. The study 1 was aimed to evaluate the skeletal muscle (m. soleus) energetic metabolism in the offspring of hypertensive parents (OH) with a higher level of insulin resistance. The concentrations of selected high energy phosphates (phosphocreatine, inorganic phosphate, adenosintriphosphate, phosphomonoesters, phosphodiesters) were evaluated with ³¹P MRS. Their amount in OH was comparable to healthy controls. However we...

Existe hoje uma grande diversidade de técnicas modernas na física médica que são fundamentadas na tecnologia de ressonância magnética nuclear. Dentre estas, a espectroscopia por ressonância magnética é utilizada para medir a concentração de determinados metabólitos no paciente, permitindo o diagnóstico de doenças através de anormalidades no resultado. Dadas as limitações experimentais para melhorar a aquisição do sinal, seja na parte instrumental ou ainda pela necessidade de minimizar o tempo total dos exames, a utilização de técnicas de processamento de sinais apresenta soluções para a melhor visualização e manipulação do sinal estudado. Dentre estas, está o uso de filtros para atenuar os impactos do ruído nos dados amostrados. Recentemente, diversas áreas que necessitam de processamento de sinais têm explorado implementações de filtros que utilizam a transformada wavelet, apresentando resultados promissores com esta nova abordagem. Partindo de estudos prévios na área de espectroscopia por ressonância magnética, implementamos neste trabalho filtros com transformada wavelet, utilizando a metodologia Wavelet Shrinkage Denoising (WSD). A etapa de maior importância deste procedimento é o cálculo do limiar, isto é, o valor a partir do qual os coeficientes devem ser considerados uma representação de ruído (e portanto atenuados); além do método descrito anteriormente na literatura, foram desenvolvidas neste trabalho outras duas novas formas para este cálculo, totalizando três filtros. O primeiro método utiliza a estimativa de risco não-enviesada de Stein (SURE), o segundo uma estimativa do desvio padrão característico do ruído, calculado em uma porção sem picos do espectro, e o terceiro, por fim, introduz informação do sinal à etapa de limiarização, utilizando um procedimento de fitting para estimar regiões do espectro a serem preservadas. A performance destes filtros foi comparada entre si, e também com um método de referência utilizando a transformada de Fourier, primeiro em sinais simulados, e em seguida em sinais in vivo experimentais. Os resultados apresentam uma grande melhora na performance anteriormente documentada, com proposições de novas formas de explorar o potencial de filtros baseados em transformada wavelet. / Many of today techniques in medical physics are based on nuclear magnetic resonance technology. Among these, magnetic resonance spectroscopy is used to measure the concentration of certain metabolites in the patient, allowing the diagnosis of diseases through abnormalities in the results. Given the experimental limitations to improve the quality of the acquired signal, either by instrumental methods or due to the need to minimize the total time elapsed on exams, employing signal processing techniques presents solutions for best visualization and manipulation of the studied signal. Among these, there is the development of filters to mitigate the impacts of noise on the sampled data. Recently, several areas that require signal processing have explored filter implementations that use the wavelet transform, presenting promising results with this new approach. Based on previous studies in the area of magnetic resonance spectroscopy, we implemented wavelet transform filters using the Wavelet Shrinkage Denoising (WSD) methodology. A crucial step in this procedure is the calculation of the threshold, as this value establishes which coefficients are to be considered a noise representation (and therefore attenuated); in addition to the method described previously in the literature, two other new proceedures were developed in this work, totaling three filters. The first method uses the Stein unbiased risk estimator (SURE), the second an estimate of the characteristic standard deviation of the noise, calculated in a portion without peaks of the spectrum, and the third, finally, inputs information from the signal at the thresholding using a fitting procedure to estimate regions of the spectrum that must be preserved. The performance of these filters was compared between each other, and also to a reference method using the Fourier transform, first on simulated signals, and then on experimental in vivo signals. Results show a great improvement compared to performance previously documented, bringing new ways to explore the potential of filters based on wavelet transform.

A esteatose hepática, que se caracteriza pelo acúmulo excessivo de gordura nas células do fígado, é um problema que vem preocupando a comunidade médico-científica, pois sua incidência vem aumentando a nível global, com expectativa de se tornar a doença crônica hepática de maior predominância em várias partes do mundo. Apesar de ser considerada uma doença benigna, a esteatose pode evoluir para doenças mais graves como cirrose, fibrose avançada, esteato hepatite (com ou sem fibrose) ou carcinoma. Entretanto, é potencialmente reversível, mesmo em quadros mais graves, o que reforça a urgência de se desenvolver métodos confiáveis para detecção e avaliação, inclusive ao longo de tratamento. Os métodos atuais para diagnóstico e quantificação da gordura hepática ainda são falhos: com a ultrassonografia não se é capaz de realizar quantificação; a tomografia computadorizada faz uso de radiação ionizante; a punção (biópsia), considerada o padrão ouro, é precisa, mas invasiva e pontual. A Ressonância Magnética (RM), tanto com espectroscopia (MRS) como com imagem (MRI), são alternativas completamente não invasivas, capazes de fornecer o diagnóstico e quantificação da gordura infiltrada no fígado. Entretanto, os trabalhos encontrados na literatura utilizam sequências de pulsos desenvolvidas especialmente para esse fim, com métodos de pós-processamento extremamente rebuscados, o que não é compatível com o estado atual dos equipamentos encontrados em ambientes clínicos nem mesmo ao nível de experiência e conhecimento das equipes técnicas que atuam em clínicas de radiodiagnóstico. Assim, o objetivo central do presente trabalho foi avaliar o potencial da RM como candidato a método de diagnóstico e de quantificação de gordura em ambientes clínicos, utilizando, para isso, sequências de pulsos convencionais, disponíveis em qualquer sistema comercial de RM, com protocolos de aquisição e processamento compatíveis com àqueles realizados em exames clínicos, tanto no que se refere à simplicidade como ao tempo total de aquisição. Foram avaliadas diferentes abordagens de MRS e MRI utilizando a biópsia hepática como padrão de referência. Foram avaliados pacientes portadores de diabetes tipo II, que apresentam alta prevalência de esteatose hepática não alcoólica, além de grande variabilidade nos percentuais de gordura. Foram realizadas medidas de correlação, acurácia, sensibilidade e especificidade de cada uma das abordagens utilizadas. Todos os métodos avaliados apresentaram alto grau de correlação positiva (> 87%) com os dados obtidos de maneira invasiva, o que revela que os valores obtidos utilizando RM estão de acordo com aquilo observado pela biópsia hepática. Muito embora os métodos de processamento utilizados não sejam tão complexos quanto seriam necessários caso uma quantificação absoluta fosse desejada, nossas análises mostraram alta acurácia, especificidade e sensibilidade da RM na avaliação da esteatose. Em conclusão, a RM se apresenta, de fato, como uma excelente candidata para avaliar, de forma não invasiva, a fração de gordura hepática, mesmo quando se considera as limitações impostas por um ambiente clínico convencional. Isso sugere que essas novas metodologias podem começar a migrar para ambientes clínicos sem depender das sequências complexas e dos processamentos exóticos que estão descritos na literatura mais atual. / Hepatic steatosis is a disease characterized by excessive accumulation of fat in liver cells. Its incidence is increasing and it is expected to become the chronic liver disease with the highest prevalence worldwide, which became a major concern to medical and scientific community. Although considered a benign disease, fatty liver can evolve to more serious diseases such as cirrhosis, advanced fibrosis, steatohepatitis (with or without fibrosis) or carcinoma. However, it is potentially reversible, even in the most severe cases, which reinforces the urgent need to develop reliable methods for detection and evaluation, including throughout treatment. Current methods for diagnosis and measurement of liver fat are still flawed: ultrasound is not able to perform quantification; CT uses ionizing radiation; biopsy, considered the gold standard, is accurate but invasive and focal. Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) are completely non-invasive alternatives capable of providing diagnosis and quantification of infiltrated fat in the liver. However, studies in the literature frequently employ pulse sequences especially developed for this purpose, with extremely elaborate post-processing methods, which are not compatible with the current state of the art of typical clinical scanners or even with the level of experience and knowledge of technical staff working in radiology clinics. Thus, the main goal of this study was to evaluate the potential of MRI as a candidate for diagnosing and quantifying fat liver in clinical settings, using conventional pulse sequences, acquisition and post-processing protocol, compatible with those performed in clinical examinations in both simplicity and total acquisition time. We investigated different approaches of MRI and MRS using liver biopsy as reference standard. We evaluated patients with type II diabetes, which have a high prevalence of non-alcoholic fat liver disease, and great variability in the percentage of fat. Correlation, accuracy, sensitivity and specificity measurements of each of the approaches used were performed. All evaluated methods highly correlated (> 87%) with the data obtained from invasive measurement, which shows that the values obtained using MRI are consistent with that observed for liver biopsy. Although the processing methods used are not as complex as would be required if an absolute quantification was desired, our analyzes showed high accuracy, sensitivity and specificity of MRI in the evaluation of steatosis. In conclusion, MRI is an excellent candidate to assess liver fat fraction in a non-invasive way, even when considering the limitations imposed by conventional clinical setting. This suggests that these new methods may begin to migrate to clinical environments without relying on complex sequences and exotic post-processing techniques that are described in the current literature.

Dietas ricas em gordura ou carboidrato têm sido difundidas e consumidas nas últimas décadas, entretanto pouco é conhecido sobre as consequências metabólicas destas em longo prazo. Neste estudo, foram analisados a quantidade de gordura intramiocelular (IMCL), a função endotelial, além da lipemia, glicemia, insulinemia e resistência à insulina após semanas de dieta rica em gordura ou carboidrato, perdendo ou mantendo peso. De 43 mulheres triadas com sobrepeso (25< BMI <29.9 Kg/m2), 22 foram randomizadas para duas diferentes sequências de dietas. O IMCL foi medido através de espectroscopia por ressonância magnética 1H e a função endotelial pela pletismografia. Após 4 semanas de dieta rica em carboidrato, mantendo peso, foi observado aumento no IMCL do músculo tibial anterior (2.06 ± 1.27 vs. 3.52 ± 1.92, p=0.04) e na insulinemia em jejum (11.55 ± 4.43 vs. 14.03 ± 5.23, p=0.04), enquanto a dieta rica em gordura, no mesmo período, ocasionou aumento no HDL-C (37.06 ± 8.42 vs. 42.5 ± 9.32, p=0.003) e redução nos níveis de triglicerídeos em jejum (102,83 ± 34,10 vs. 75,83 ± 20,91, p=0,02). A função endotelial, colesterol total, LDL-C e resistência à insulina não mudaram durante esta fase. A perda de peso (média de 5%, por 8 semanas), não promoveu modificações nos parâmetros metabólicos vistos com a dieta de manutenção de peso. A partir destes resultados, concluiu-se que a ingestão de dieta rica em carboidrato, por 4 semanas de manutenção de peso, aumenta a insulinemia em jejum e o IMCL do músculo tibial anterior, enquanto a dieta rica em gordura pelo mesmo período aumenta o HDL-C e reduz triglicerídeos em mulheres saudáveis com sobrepeso. / High fat or high carbohydrate (cab) diet have been widely difunded and consumed during last decades; however it is not clear their metabolic effects in long term. In the present study we analyzed intramyocellular lipids (IMCL), endothelial function, plasma lipids, glucose, insulin and insulin resistance after high fat or high cab diet during weeks, maintaining or losing weight. 43 overweight women (25< BMI <29.9 Kg/m2) were screened, 22 of them were randomized to two different diet sequence. IMCL was measured by using 1H magnetic resonance spectroscopy and endothelial function by using plethysmography method. Tibialis anterior IMCL (2.06 ± 1.27 vs. 3.52 ± 1.92, p=0.04) and fasting insulinemia increased (11.55 ± 4.43 vs. 14.03 ± 5.23, p=0.04) after four weeks of high cab diet after maintenance phase, while fasting HDL-C increased (37.06 ± 8.42 vs. 42.5 ± 9.32, p=0.003) and triglycerides levels decreased (102.83 ± 34.10 vs. 75.83 ± 20.91, p=0.02) after maintenance phase of high fat diet. Endothelial function, total cholesterol, LDL-C and insulin resistance did not alter during maintenance phase. A weight loss of 5%, after eight weeks, did not promote changes in the metabolic parameters, as seen during maintenance phase. Based on these results, it was concluded that high cab diet, four weeks with no weight change, increases tibialis anterior IMCL and fasting insulinemia, while high fat diet during same period increases HDL-C and decreases triglycerides in a healthy overweight women population.

Orientador: Gabriela Castellano / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin. / Made available in DSpace on 2018-08-12T12:39:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CuellarBaena_SandraPatricia_M.pdf: 2971806 bytes, checksum: 993051b37ed11a93fc4c48a83e24003d (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho visou o estudo e validação de técnicas de pre-processamento e quantificação de dados provenientes da técnica de Espectroscopia por Ressonância Magnética (MRS, do inglês Magnetic Resonance Spectroscopy), obtidos do cérebro humano in vivo, para a extração de informação que fosse clinicamente relevante para o estudo e diagnostico de tumores cerebrais. Para isso, foi feito o estudo da técnica com base na literatura, incluindo a revisão dos aspectos físicos envolvidos, estudando os métodos computacionais utilizados para o pre-processamento e quantificação dos dados, e os aspectos bioquímicos dos metabólicos de interesse presentes no cérebro humano, passiveis de serem quantificados através da técnica. Especificamente, foi estudado um método de quantificação de dados de MRS, o método. AMARES (Advanced Method for Accurate, Robust and Efficient Spectral fitting of MRS data), aplicado na quantificação de dados de MRS adquiridos de sujeitos controles e pacientes portadores de tumores cerebrais, provenientes de uma base de dados do Laboratório de Neuroimagem (LNI - Hospital das Clinicas - UNICAMP). Isso foi feito utilizando o software de domínio público jMRUI (http://sermn02.uab.es/mrui/)[1], que possui o método AMARES já implementado. Estes resultados foram comparados com resultados provenientes de uma quantificação manual desses mesmos dados, realizada previamente como parte do projeto de doutorado da Dra. Andréia Vasconcellos (atual docente do Depto. de Radiologia da FCM/UNICAMP)[2]. Foi verificada a concordância entre os dois métodos de quantificação, e também a viabilidade de usar os resultados da quantificação com o método automático para alem de diferenciar entre os grupos de pacientes e controles, realizar a separação dos Pacientes com tumores em diferentes grupos. Obteve-se que os resultados obtidos com o método automático foram mais precisos e consistentes que os obtidos com o método manual, e permitiram uma melhor classificação dos tipos de tumores. Adicionalmente, foram incluídos neste trabalho os resultados do estudo de perfis metabólicos ex vivo em tumores cerebrais pediátricos através da técnica HR-MAS (do inglês High Resolution Magic Angle Spinning). Este estudo adicional foi realizado no Laboratório de Imagem Molecular da Faculdade de Medicina da Universidade de Valencia (Espanha) através do Programa Santander de Mobilidade Internacional e financiado através de uma bolsa do Banco Santander-Banespa. / Abstract: The aim of this work was to study and validate techniques for pre-processing and quantificating Magnetic Resonance Spectroscopy data, obtained in vivo from the human brain, in order to get information clinically useful for the study and diagnosis of brain tumors. Therefore, a literature-based study of the technique was made, including a review of the Physics concepts involved, the data acquisition process in the scanner and the computational methods used to pre-process and quantificate the spectral data, as well as the biochemical aspects of the metabolites of interest in the human brain that can be detected by this technique. Special attention was given to the AMARES (Advanced Method for Accurate, Robust and Efficient Spectral fitting of MRS data) method for MRS data quantification, which was studied and applied to the quantification of data from control subjects and patients with brain tumors. The data came from a database of the Neuroimaging Laboratory (LNI - Hospital das Clinicas - UNICAMP). The quantification with AMARES was made through the jMRUI software (http://sermn02.uab.es/mrui/) [1], a public domain software for processing and quantification of MRS data. These results were compared to the results obtained with a manual quantification of the same data, previously done as part of the PhD thesis work of Dr. Andreia Vasconcellos (lecturer from the Radiology Department of the School of Medicine, UNICAMP) [2]. The agreement between the results from both quantification methods was verified, as well as the feasibility of using the automatic quantification results to differentiate among tumor types, besides differentiating between patients and controls. Results obtained by the automatic method were more accurate and consistent than those obtained by the manual method allowing a better classification. Additionally, in this work were included the results of the study of ex vivo and in vivo metabolic profiling in pediatric brain tumors using the HR-MAS (High Resolution Magic Angle Spinning) technique. This study was carried out in the Molecular Imaging Laboratory, School of Medicine at the University of Val¿encia (Spain), within the Santander-Banespa Bank International Exchange Program. / Mestrado / Física / Mestre em Física

INTRODUÇÃO: A referência padrão para determinação do grau tumoral é a avaliação histopatológica. Entretanto, algumas limitações estão associadas com a correta graduação histopatológica dos gliomas: (a) erro inerente da amostra associada a biópsia estereotáxica, sendo que a porção mais maligna do tumor pode não estar incluída na amostra obtida; (b) dificuldade em obter uma gama suficiente de amostras se o tumor for inacessível ao cirurgião;(c) dinâmica própria dos tumores do sistema nervoso central, com diferenciação freqüente em graus de maior malignidade; (d) variabilidade entre patologistas; (e) inabilidade para avaliação de tecido tumoral residual após cirurgia redutora. Embora a ressonância magnética (RM) convencional seja a técnica de maior utilidade no diagnóstico e avaliação de tumores cerebrais, de forma isolada não possui acurácia em predizer o grau tumoral. Técnicas avançadas de RM, tais como caracterização de alterações metabólicas na espectroscopia de prótons (ERM), valores de volume sanguíneo cerebral relativo (VSCr) obtido com a perfusão por RM e imagem de difusão com o cálculo do coeficiente de difusão aparente (CDA), têm sido avaliadas como ferramentas diagnósticas na graduação prospectiva dos gliomas cerebrais. OBJETIVOS: Determinar quais são os parâmetros derivados da perfusão, difusão e espectroscopia que auxiliam a graduação tumoral. Determinar a sensibilidade, especificidade, valor preditivo positivo (VPP) e valor preditivo negativo (VPN) de cada método. Determinar se há alguma correlação entre os parâmetros utilizados na determinação do grau de malignidade tumoral. Determinar se a combinação destas técnicas aumenta a efetividade diagnóstica para graduação tumoral. MÉTODOS: 56 pacientes com tumores de origem glial, sendo 37 glioblastomas multiforme, 2 astrocitoma anaplásico, 1 oligoastrocitoma anaplásico, 3 oligoastrocitomas grau II, 9 astrocitomas grau II e 4 astrocitomas pilocíticos, foram submetidos a RM convencional, difusão, perfusão e ERM em aparelho 1,5 T (GE-Horizon LX9.1). O estudo da difusão foi realizado com sequência SE-EPI com tempo de repetição (TR)/tempo de eco (TE) = 8000/110,8ms. A perfusão foi adquirida com sequência GRE-EPI com TR/TE = 2000/34,7ms. Para o estudo de ERM utilizamos sequência multivoxel com TR/TE=1500/135ms. RESULTADOS: Diferenças significativas foram encontradas entre gliomas de baixo grau (BG) e alto grau (AG), com maiores valores de VSCr, Lip e Lip/Cr nos tumores de AG e maior valor de Cr nos tumores de BG. Tumores de AG apresentaram valores menores de CDA do que os de BG, porém sem diferença significativa. Correlação inversa foi observada entre valores de VSCr e CDA. O melhor parâmetro isolado para graduação tumoral foi o valor do VSCr. A combinação de VSCr e Cr, e VSCr e Lip, mostrou aumento da sensibilidade e especificidade na graduação dos gliomas. CONCLUSÕES: As alterações metabólicas utilizando a razão Lip/Cr, e os valores de Lip e Cr, assim como os valores de VSCr foram úteis na graduação tumoral. O melhor parâmetro para graduação tumoral foi o valor de VSCr. A combinação do VSCr e Cr, e VSCr e Lip aumenta a sensibilidade e especificidade na determinação da graduação dos gliomas / INTRODUCTION: The current reference standard for determining glioma grade is histopathologic assessment. However some limitations are associated with correct histopathologic grading of gliomas: (a) inherent sampling error associated with stereotactic biopsy and the risk of missing the most malignant portion of the tumor in the sampling; (b) difficulty in obtaining a representative range of samples if the tumor is inaccessible to the surgeon; (c) the dynamic nature of central nervous system tumors, with frequent dedifferentiation into more malignant grades; (d) interpathogist variability and (e) inability to evaluate residual tumor tissue after reductive surgery. Although MR imaging is the most useful radiologic technique in the diagnosis and evaluation of common brain tumors, it is not accurate enough in predicting tumor grade. Advanced MR imaging techniques such as characterization of metabolic changes in MR spectroscopy (MRS), relative cerebral blood volume (rCBV) measurements derived from perfusion MR imaging, and diffusion-weighted MR imaging with calculation of apparent diffusion coefficient (ADC), have been evaluated as diagnostic tool in prospective grading of cerebral gliomas. OBJECTIVES: To determine the usefulness of perfusion, diffusion, and spectroscopy values for glioma grading. To determine sensitivity, specificity, positive predictive value (PPV), and negative predictive value (NPV), of each method. To determine if there is any correlation between parameters used in glioma grading. To determine whether the combination of these techniques can improve the diagnostic effectiveness of glioma grading. METHODS: 56 patients with glial tumors: 37 glioblastoma multiforme, 2 anaplastic astrocytoma, 1 anaplastic oligoastrocytoma, 3 oligoastrocytomas grade II, 9 astrocytomas grade II and 4 pylocitic astrocytomas. Patients underwent conventional MR, diffusion, perfusion and MRS, performed with a 1.5-T unit (GE-Horizon LX9.1). The diffusion-weighted images were acquired by using a SE-EPI imaging sequence with repetition time (TR)/echo time (TE) = 8000/110.8ms. Perfusion-weighted imaging were acquired by using GRE-EPI with TR/TE = 2000/34.7ms. Multivoxel MRS imaging were acquired by using TR/TE=1500/135ms. RESULTS: Significant differences were noted between low-grade (LG) and high-grade (HG) gliomas with higher values of rCBV, Lip, Lip/Cr in HG, and higher values of Cr in LG. HG tumors had lower ADC values than LG, but with no statistical significant difference. An inverse relationship was observed between rCBV and ADC values. The best performing single parameter for glioma grading was rCBV value. Combination of rCBV and Cr, and rCBV and Lip, showed improvement in sensitivity and specificity in grading of gliomas. CONCLUSIONS: Metabolic changes using Lip/Cr ratio and Lip and Cr, and rCBV values were useful in tumor grading. The best parameter for glioma grading was rCBV value. The combination of rCBV and Cr, and rCBV and Lip increased the sensitivity and specificity in determining glioma grade