Development of MRI radiofrequency coils to study neurophysiological changes in a neonatal animal model at 9.4T

Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A lesão cerebral hipóxico-isquémica é uma causa comum de lesão cerebral em recém-nascidos, resultando num alto risco de morte prematura ou deficiência. Estas lesões cerebrais devem-se a um fluxo insuficiente de sangue (isquémia) e a um fornecimento reduzido de oxigénio (hipóxia) ao cérebro, eventos que provocam lesões cerebrais agudas resultando numa série de acontecimentos que induzem lesão permanente e morte celular. O diagnóstico da lesão hipóxico-isquémica é difícil e uma detecção tardia da condição pode resultar num tratamento menos eficiente e posteriores sequelas neurológicas. A introdução da ressonância magnética como ferramenta clínica para avaliação da lesão cerebral hipóxico-isquémica neonatal permitiu a determinação da localização, extensão e evolução das lesões cerebrais hipóxico-isquémicas, sendo a mais sensível e específica das técnicas de imagem. Diversas modalidades de ressonância magnética têm vindo a ser exploradas para avaliar lesões cerebrais hipóxico-isquémicas neonatais para avaliação de mudanças neurofisiológicas entre estas modalidades encontra-se a arterial spin labelling. Arterial spin labelling (ASL) é uma técnica de ressonância magnética que mede a perfusão cerebral (fornecimento de sangue a um tecido capilar) de forma não invasiva. Nesta técnica o sangue arterial, que flui nas artérias que levam o sangue a uma zona que se pretende estudar a função, é utilizado como marcador endógeno. Utilizando um pulso de radiofrequência os protões das moléculas de água presentes no sangue arterial são marcados ficando o seu spin invertido. Através da subtracção de uma imagem da área em estudo com o spin arterial invertido e outra imagem com spin no estado não invertido é possível obter uma medição do fluxo cerebral. Para executar esta técnica uma bobina de ressonância de transmissão tem de ser utilizada para proceder à inversão dos spins, esta bobina pode ser a mesma com a qual se adquirem as imagens ou pode ser separada o que apresenta melhores resultados. Outra técnica que tem sido explorada para fornecer informações metabólica em lesões cerebrais hipóxico-isquémicas é a ressonância magnética de sódio (23Na). Esta técnica permite avaliar a viabilidade de um tecido, observando as concentrações de 23Na no tecido que se alteram quando um evento de hipóxico-isquémico ocorre. Apesar de ser uma técnica promissora as imagens de ressonância magnética de 23Na apresentam menor relação sinal ruído e menor resolução. O desenvolvimento de novas técnicas de imagem beneficia dos avanços em várias áreas de ressonância magnética. A utilização de campos magnéticos mais elevados tem provado ser uma forma de melhorar as medições de quantificação, proporcionando uma maior sensibilidade e relação sinal ruído. Por outro lado a utilização de bobinas de radiofrequência especialmente desenvolvidas para cada técnica é também um meio utilizado para melhorar o desempenho de determinadas técnicas. As bobinas podem ser especialmente desenhadas para se adaptar a um determinado modelo em estudo ou para estarem de acordo com um determinado protocolo experimental. O objectivo do trabalho descrito nesta dissertação é projectar e construir bobinas de radiofrequência (RF) que se destinam à utilização num sistema pré-clínico de ressonância magnética com um campo magnético de 9.4 Tesla. As bobinas desenvolvidas serão aplicadas em estudos de imagiologia neonatal utilizando um modelo animal (porco recém-nascido) com lesão hipóxico-isquémica. O principal foco do estudo principal em que o projecto descrito se insere é detectar as alterações neurofisiológicas decorrentes das hipóxico-isquémicas no cérebro utilizando diversas técnicas de ressonância magnética. Neste projecto em particular pretendem-se estudar duas dessas técnicas: arterial spin labelling e ressonância magnética de 23Na. O projecto foi dividido em dois objectivos principais. O primeiro objectivo consiste em projectar e construir uma bobina de RF de transmissão para ASL desenhada de acordo com as características do estudo experimental geral em que este projecto se insere. Pretende-se que a bobina seja posicionada na zona do pescoço do animal em estudo, o animal está deitado em pronação numa estrutura plástica cilíndrica desenhada para se encaixar numa bobina de volume que efectua a transmissão e recepção de radiofrequência que permite adquirir as imagens de protões. A bobina é posicionada entre o animal e a estrutura cilíndrica. O projecto foi desenvolvido para estar de acordo com os requisitos do procedimento acima descrito. Foi desenvolvida uma bobina de superfície sintonizada à frequência do hidrogénio a 9.4 Tesla (399.553MHz) e a impedância da bobina foi transformada de modo a corresponder à impedância dos cabos coaxiais e do sistema de ressonância magnética, neste caso 50. A bobina apresenta um método de desassociação activa entre a bobina desenvolvida e a bobina de volume. Este método consiste na colocação de um díodo PIN em série com o circuito o que permite que a bobina seja sintonizada apenas quando é necessário a transmissão de RF. A bobina é conectada a um cabo coaxial, este cabo é um circuito não balanceado que interage com a bobina levando a uma perda de sinal. Para diminuir estas possíveis perdas foram implementados dois tipos de circuitos, um junto à bobina e um circuito de um condensador em paralelo com um indutor implementado no cabo coaxial. Foi desenhada em 3D uma estrutura para proporcionar a protecção e acomodação da bobina. Para além disso foram construídos dois dispositivos que permitem a utilização da bobina. Um PIN diode driver que fornece a corrente necessária para a activação do díodo PIN e um Bias T um circuito que permite o fornecimento simultâneo de corrente continua e do pulso de radiofrequência à bobina. Todos os passos efectuados foram avaliados utilizando um analisador de redes, e os resultados foram apresentados sobre a forma de medições S11 ou S21 conforme o tipo de medição adequado. O segundo objectivo consiste em projectar e construir uma bobina de transmissão e recepção de radiofrequência para imagens de 23Na da região cerebral. Foi desenvolvida uma bobina de superfície sintonizada à frequência do 23Na a 9.4 Tesla (105.683MHz) e a impedância da bobina foi transformada de modo a corresponder a 50 . A bobina apresenta um método de sintonização remota à frequência desejada, o que permite que a sintonização da frequência e da impedância sejam realizadas fora da zona da bobina ou do magneto. A bobina apresenta um método de desassociação entre a bobina desenvolvida e a bobina de volume. Este método consiste na implementação de um circuito composto por um indutor e um condensador em paralelo com o circuito principal. Os resultados do processo descrito foram apresentados sobre a forma de medições S11 ou S21 conforme o tipo de medição adequado. Para avaliar a bobina de transmissão e recepção para 23Na foram adquiridas imagens de ressonância magnética de um fantoma e in vivo utilizando porcos recém-nascidos sujeitos a cirurgia para provocar a lesão hipóxico-isquémica. As imagens foram obtidas no sistema Varian 9.4T e os dados foram analisados usando Matlab. A bobina de superfície foi colocada dentro da bobina de volume de 1H, a ser utilizado como referência para a localização da bobina e avaliação de informações anatómicas. As imagens in vivo foram adquiridas antes de ser efectuada a lesão hipóxica-isquémica , 24 horas depois e 48 horas depois. Em ambos os caso foi possível aquisição de imagens de 23Na e detecção de diferentes estruturas. Esta tese é composta por sete capítulos. O primeiro capítulo diz respeito à introdução da tese, no segundo capítulo apresenta-se uma introdução teórica , na qual são descritos os conceitos subjacentes à teoria da técnica de ressonância magnética e ao desenvolvimento de bobinas de radiofrequência. É ainda complementada com uma breve descrição das técnicas ASL e ressonância magnética de sódio e resumo dos principais artigos publicados na área da ressonância magnética para estudo de lesões hipóxico-isquémicas neonatais. O terceiro capítulo descreve os materiais utilizados para o desenvolvimento das bobinas de radiofrequência. Nos capítulos quatro e cinco é apresentado em detalhe o desenvolvimento das bobinas e resultados das avaliação das mesmas. O sexto capítulo apresenta as imagens de sódio, as imagens incluídas são resultado de experiências realizadas com fantomas e in vivo. No último capítulo são apresentadas as conclusões e futuros aperfeiçoamentos dos projectos.Advanced magnetic resonance imaging techniques have been used as clinical tools for assessment of neurophysiology changes. Arterial spin labeling (ASL) is a magnetic resonance technique that noninvasively measures brain perfusion. There are several labeling techniques, one such technique is to use an imaging coil and a separate labeling coil. Sodium MRI provides valuable metabolic information assessing tissue viability, it has much lower SNR and resolution than proton imaging however physiological information provided has already proved to be valuable. In this project it is proposed to design and built a dedicated ASL coil and a transmit/receive sodium (23Na) radiofrequency (RF) coil to provide images of an animal model (piglet) of hypoxic ischaemic (HI) injury at a 9.4T preclinical MRI scanner. The proposed RF coils were designed and constructed. The process of development of each coil is described in detail: the tuning and matching process, the decoupling techniques chosen and the balancing methods applied. It is also presented the process of construction of other components required to allow the development or application of the coils in vivo. The evaluation of both coils and other devices constructed is presented based on the adequate bench measurements. For the transmit/receive 23Na radiofrequency coil the performance was also demonstrated performing MR imaging in a phantom and in vivo (piglet HI injury model). Sodium images of piglet's brain before HI injury, 24 and 48 hours after injury are presented

VCAM1 modulation on endothelial cells – implications for vasculopathy in sickle cell anemia

Sickle cell anemia (SCA) is a highly heterogeneous and multifactorial-like monogenic disease that arises from homozygosity for the c.20A>T mutation in the HBB gene. Vascular disease is systemic in SCA, with profound effects in organs like the brain, where stroke is the most severe end of the cerebral vasculopathy (CVA) spectrum. Endothelial dysfunction plays a major role in vasculopathy with several adhesion molecules, such as VCAM1, being produced by the endothelium altered as a response to inflammatory cytokine (e.g., TNF-α) signalling. In previous association studies, we found positive associations between the presence of four specific VCAM1 gene promoter haplotypes and i) high blood flow velocities in the median cerebral artery, and ii) a chronic hemolysis biochemical marker. In this study, we aimed to assess the functional role of those VCAM1 promoter haplotypes in endothelial cell response following endothelial activation through TNF-α stimulation. After molecular cloning of 3 haplotype constructs, using a pGL4 promoterless vector, haplotype sequence was confirmed, by Sanger sequencing, prior to transfection. We used EAhy926, HUVEC and HBEC as different endothelial cell models, and performed transfection experiments for each construct, with and without TNF-α stimulation. Differences in promoter activity were assessed by luciferase reporter assay. All haplotypes showed differences in promoter activity, after TNF-α stimulation, in all cell models. Haplotype 1 showed decreased promoter activity, while haplotypes 7 and 8 showed increased activity after TNF-α stimulation, in all cell models. These results are consistent with lower VCAM1 expression due to haplotype 1, and therefore a protective effect. Conversely, a higher expression due to haplotypes 7 and 8, suggests an increased vasculopathy risk, in a pro-inflammatory milieu. The association between specific haplotypes and endothelial cell response further enhances the modifier effect of VCAM1 on endothelial dysfunction and its impact in SCA pathophysiology, as well as its potential role as a biomarker of SCA vasculopathy risk, severity and prognosis.This work was partially supported by INSA_202DGH720 project.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Determinação da vitamina A em leite materno

O leite materno é o alimento mais completo e seguro para o lactente, sendo fornecedor de energia e nutrientes em quantidades apropriadas para uma boa nutrição nos primeiros meses de vida. A promoção e protecção do aleitamento materno são uma importante estratégia de prevenção de inúmeras doenças, sendo a presença de vitamina A (retinol) em níveis adequados de extrema importância. Desta forma, a determinação do teor desta vitamina no leite materno torna-se essencial para fornecer informações tanto sobre o estado nutricional da lactante como do lactente. O presente trabalho teve como principais objectivos: implementar e optimizar um método de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) para determinação de vitamina A em leite materno e quantificar o teor deste composto em diversas amostras de leite materno, comparando os resultados obtidos com os determinados através da metodologia validada, baseada na norma EN 12823-1, e já em uso no Departamento de Alimentação e Nutrição do Instituto Nacional de Saúde Dr. Ricardo Jorge. De entre as diversas metodologias alternativas que foram testadas em leite de vaca seleccionou-se a mais adequada e vantajosa. Com base nesta metodologia, foram analisadas quinze amostras de leite materno, as quais apresentaram uma concentração de vitamina A que oscilou entre 9,44 e 62,07 µg/100mL de leite. Estas mesmas amostras foram, também analisadas pela metodologia validade e mostraram uma concentração de retinol de 10,72 a 76,65 µg/100mL de leite, respectivamente. A análise estatística dos resultados provenientes do novo método e do método validado permitiu que estes não são estatisticamente diferentes, pelo que se confirma que a nova metodologia encontrada neste trabalho é adequada para a quantificação de retinol em leite materno, apresentando como vantagens uma maior rapidez e simplicidade de análise, reduzida quantidade de amostra e reagentes necessário, diminuta produção de resíduos e possibilidade de análise de um maior número de amostras em simultâneo

Factors that influence adherence to exercise among patients attending a cardiac rehabilitation program

The aim of this study was to compare the factors of adherence to physical activity in subjects attending a cardiac rehabilitation program, and subjects who have withdrawal this same program using the Transtheoretical Model of behavior change. We conducted an observational, cross sectional type study, with a sample of 33 individuals (15 currently participating in the Cardiac Rehabilitation Program and 18 who no more attended the same program), with the questionnaires being personally delivered or sent by mail. For data analysis, we used the computer program SPSS® version 16.0. The significance level was set at 0.05. There were no significant differences in the states of Change, Self-efficacy, Decisional Balance and Change Processes in both groups. We obtained a high Spearman correlation between States of Change and Self-efficacy (r2 = 0.778) and the Pros (r2 = 0.764) and Againsts (r2 = -0.744) in Decisional Balance. However, there were no significant evidence to affirm that States of Change and experiential processes of change (p = 0.465) andbehavioral (p = 0.300) had a correlation. A relationship was found, in terms of proportions between physical activity incorporated or not in a Cardiac Rehabilitation Program and age (p = 0.003), occupation (p = 0.010) and the entity paying the costs of program (p = 0.027). It was concluded that perceived self-efficacy and Pros and Againsts of the Decisional Balance are related to adherence to physical activity. Results also point out that age, profession and the entity paying the costs of the program influences the dropout of Cardiac Rehabilitation Programs

Dietary exposure to imidacloprid, and sub-lethal effects in springtails

Tese de mestrado, Biologia Humana e Ambiente, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasNeonicotinoids are the most widely used insecticides worldwide. A large proportion ends up in the soil, where they degrade slowly, and are likely to affect non-target species in the soil community, such as Collembola (springtails). Springtails play an important role in soil ecosystems by contributing to litter decomposition and nutrient cycling. Standard toxicity tests use soil exposure to toxicants, which does not allow for detailed observation of the individuals during the experiment. These tests are developed to expose organisms through soil to certain types of contaminants, but in nature springtails can also be exposed to them through their diet. We therefore aimed to, and successfully developed, a method for dietary exposure to toxicants, allowing us to observe springtails performance during exposure. The neonicotinoid imidacloprid was applied as a test substance, and we studied two springtail species, Folsomia quadrioculata and Hypogastrura viatica, with different life histories, habitat, and ecology, to assess potential difference in sensitivity. For each species, five replicates of 20 newly hatched animals were exposed through feed treated with one of two different applications: moistening the feed with a micropipette (estimated final concentration of 129 mg/kg imidacloprid) or soaking it in a solution with 129 ug/L imidacloprid, at room temperature. Moistening the Tilia cordata bark was most accurate, giving concentrations similar to the estimated nominal ones, while soaking resulted in 38 times higher concentrations than moistened measured method. With our established method of moistening the bark, we conducted a concentration-response experiment to study how imidacloprid affects different life history traits in juvenile H. viatica using 5 sub-lethal concentrations from 0.01 to 1.2 mg/kg dry bark. Due to time constraints as a result of the COVID-19 pandemic, which prevented access to the laboratory, it was difficult to analyze some endpoints for Folsomia quadrioculata, and since it was possible to register molting and measure body size in Hypogastrura viatica we conducted the second experiment only on that species. Exposure to the soil relevant concentrations of imidacloprid caused H. viatica to reach maturity late, reduced its molting frequency, and thus reduced its body size. Since these endpoints have negative impacts on Collembola egg production, the studied neonicotinoid shown negative effects on population growth and may therefore cause population-level effects. There is still little information about these two springtails species and especially on the life history traits for springtails in general. Therefore, in the future it would be important to use methods that allow the monitoring of effects on life history traits

Steps to enhance bone regeneration the role of dendritic cells on mesenchymal stem cells recruitment

Tese de Mestrado Integrado. Bioengenharia. Área de Especialização de Biotecnologia Molecular. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Nutritional bases of microdiet development for the early stages of two crustacean species: whiteleg shrimp (Penaeus vannamei) and European lobster (Homarus gammarus)

Crustaceans are an important source of aquatic food protein with a growing global demand leading to one of the fastest growing aquaculture sectors. Aquaculture of crustaceans is highly dependent on meeting their nutritional requirements and producing high quality stocks. However, knowledge on the nutrition, feeding ecology, body composition and nutrient requirements in crustacean larval culture is still limited. This thesis aimed at creating nutritional bases for the development of diets for two crustaceans species, whiteleg shrimp (Penaeus vannamei) and European lobster (Homarus gammarus), at their early development stages. A first feeding trial was conducted to study the dietary protein requirements of whiteleg shrimp postlarvae. For this trial, six experimental diets were formulated to include 34, 44, 49, 54, 58 and 63% protein levels, designated as treatments P34, P44, P49, P54, P58 and P63, respectively. In this trial, 3.18 mg initial mean body weight postlarvae were reared in triplicate groups for 21 days, being fed one of the experimental diets. Growth performance and survival of shrimp from different treatments were affected by the dietary protein levels, with shrimp fed diet P34 registering significantly lower results than the remaining treatments. Final weight, weight gain, RGR and survival of shrimp only increased until diet P44 and FCR decreased. Broken-line analysis of weight gain indicated that the optimal dietary level of crude protein is 47.1% for whiteleg shrimp postlarvae. This requirement level of protein is slightly higher than previous research on posterior stages of development. This can be due to higher growth rates in earlier stages of development. A second feeding trial was conducted to study the growth performance of European lobster juveniles fed on three different experimental diets. These diets were rich in protein, protein and calcium or in carbohydrates and calcium, designated as PROT, PROTCA and STASH, respectively. For this trial, 23 lobster juveniles were reared for 90 days fed one of the experimental diets with 8 replicates per diet, except diet PROT which had 7 replicates. Survival in this trial was 100%. Weight gain, FCR and RGR were not affected by the diet treatments. At the end of the trial, body weight and total body length showed to be significantly higher in juveniles fed PROTCA than in the remaining treatments. Cephalothorax length, colouration changes and molting were not affected by the diet treatments. This thesis concludes that a diet with a medium-high level of protein has shown good performance in shrimp postlarvae, with an optimal dietary level of crude protein estimated at 47.1%. Moreover, from the diets tested on European lobster juveniles, the diet rich in protein and calcium was considered the most suitable for early stages of development. This can be a result of this diet being the most related to the body composition of the lobster at the life stage studied.Os crustáceos são uma importante fonte de proteína aquática com uma alta procura a nível global, o que tem levado a carcinicultura a ser um dos sectores da área de aquacultura com expansão e crescimento mais rápidos. A aquacultura de crustáceos é muito dependente de cumprir os requisitos nutricionais destas espécies para produção de lotes de alta qualidade. No entanto, os conhecimentos sobre nutrição, ecologia alimentar, composição corporal e requisitos de nutrientes em fases iniciais de desenvolvimento de crustáceos ainda é deveras limitado. Esta tese tem como objetivo otimizar dietas para duas espécies de crustáceos em fases iniciais de crescimento, o camarão-de-patas-brancas (Peneaus vannamei) e o lavagante europeu (Homarus gammarus). Na primeira experiência, pós-larvas de camarão-de-patas-brancas foram utilizadas para estudar os seus requisitos de proteína. Nesta experiência, seis dietas experimentais foram formuladas para incluir 34, 44, 49, 54, 58 e 63% nível de proteína, designados como P34, P44, P49, P54, P58 e P63, respetivamente. Nesta experiência, pós-larvas com peso médio corporal de 3,18 mg foram utilizadas durante 21 dias em triplicados, sendo alimentadas uma das dietas experimentais. A performance de crescimento e a sobrevivência das pós-larvas demonstraram ser influenciadas pelo nível de proteína nos camarões alimentados com a dieta P34, registando resultados significativamente menores. O peso final, ganho de peso, RGR e sobrevivência registaram aumento até a dieta P44, enquanto que o FCR decresceu até P44. A análise de “broken-line model” dos dados de crescimentos mostrou que o nível ideal de proteína bruta para pós-larvas de Camarão-de-patas-brancas é 47.1%. Este nível de proteína é um pouco mais alto que o reportado em estudos anteriores, para fases de desenvolvimento posteriores, o que pode ser devido à alta taxa de crescimento em fases iniciais de desenvolvimento. Na segunda experiência, juvenis de lavagante europeu foram utilizados para estudar a performance de crescimento quando alimentados com três dietas experimentais, ricas em proteína, proteína e cálcio ou em hidratos de carbono e cálcio, designados como PROT, PROTCA e STASH, respetivamente. Nesta experiência, 23 lavagantes foram criados durante 90 dias sendo alimentados uma das dietas experimentais, com 8 replicados por dieta, exceto a dieta PROT com 7 replicados. A sobrevivência nesta experiência foi de 100% e o ganho de peso, FCR e RGR demonstraram não ser influenciado pelas diferentes dietas. O peso e o comprimento total dos lavagantes mostrou ser significantemente maior no final da experiência em juvenis alimentados com a dieta PROTCA. No entanto, o comprimento do cefalotórax, as mudanças de coloração e as mudas por lavagante não foram influenciados pelas diferentes dietas. Em conclusão, uma dieta com um nível médio-alto de proteína demonstrou uma melhor performance em pós-larvas de camarões, sendo requisito estimado em 47.1% de proteína bruta. Conclui-se também, que entre as diferentes dietas testadas em juvenis de lavagante, a dieta rica em proteína e cálcio demonstrou ser a mais adequada para a fase inicial de crescimento dos lavagantes. Isto pode ser devido a esta dieta ser a mais correlacionada com a composição corporal dos lavagantes nesta fase de desenvolvimento.This work was supported by project FA_05_2017_005 SHELLWIN, financed by the Blue Fund program of the Ministry of the Sea, Portuguese Republic