Biological effects of carbon black nanoparticles are changed by surface coating with polycyclic aromatic hydrocarbons

BACKGROUND: Carbon black nanoparticles (CBNP) are mainly composed of carbon, with a small amount of other elements (including hydrogen and oxygen). The toxicity of CBNP has been attributed to their large surface area, and through adsorbing intrinsically toxic substances, such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). It is not clear whether a PAH surface coating changes the toxicological properties of CBNP by influencing their physicochemical properties, through the specific toxicity of the surface-bound PAH, or by a combination of both. METHODS: Printex(R)90 (P90) was used as CBNP; the comparators were P90 coated with either benzo[a]pyrene (BaP) or 9-nitroanthracene (9NA), and soot from acetylene combustion that bears various PAHs on the surface (AS-PAH). Oxidative stress and IL-8/KC mRNA expression were determined in A549 and bronchial epithelial cells (16HBE14o-, Calu-3), mouse intrapulmonary airways and tracheal epithelial cells. Overall toxicity was tested in a rat inhalation study according to Organization for Economic Co-operation and Development (OECD) criteria. Effects on cytochrome monooxygenase (Cyp) mRNA expression, cell viability and mucociliary clearance were determined in acute exposure models using explanted murine trachea. RESULTS: All particles had similar primary particle size, shape, hydrodynamic diameter and zeta-potential. All PAH-containing particles had a comparable specific surface area that was approximately one third that of P90. AS-PAH contained a mixture of PAH with expected higher toxicity than BaP or 9NA. PAH-coating reduced some effects of P90 such as IL-8 mRNA expression and oxidative stress in A549 cells, granulocyte influx in the in vivo OECD experiment, and agglomeration of P90 and mucus release in the murine trachea ex vivo. Furthermore, P90-BaP decreased particle transport speed compared to P90 at 10 mug/ml. In contrast, PAH-coating induced IL-8 mRNA expression in bronchial epithelial cell lines, and Cyp mRNA expression and apoptosis in tracheal epithelial cells. In line with the higher toxicity compared to P90-BaP and P90-9NA, AS-PAH had the strongest biological effects both ex vivo and in vivo. CONCLUSIONS: Our results demonstrate that the biological effect of CBNP is determined by a combination of specific surface area and surface-bound PAH, and varies in different target cells

Задача розрахунку відхилення поверхні тканини для безконтактної фотоакустичної томографії

Background. Photoacoustic tomography (PAT) is a relatively new imaging modality,which allows e.g. visualizing the vascular network in biological tissue noninvasively. This tomographic method has an advantage in comparison to pure optical/acoustical methods due to high optical contrast and low acoustic scattering in deep tissue. The common PAT methodology, based on measurements of the acoustic pressure by piezoelectric sensors placed on the tissue surface, limits its practical versatility. A novel, completely non-contact and full-field PAT system is described. In noncontact PAT the measurement of surface displacement induced by the acoustic pressure at the tissue/air border is researched.Objective. To solve a simulation problem of the displacement calculation based on the medium pressure, which consists in deriving a formula for recalculating the pressure in the surface displacement based on the momentum conservation law, developing a simulation technique, and comparing the error of the proposed technique with the earlier used one.Methods. Comparing the experimental data with simulated pressure data in the k-Wave toolbox. The criterion of comparison is the relative quadratic error.Results. The simulation results of the displacement based on a new approach are more consistent with the experimental data than previous. The quadratic error numerical value of the new approach is 18 % and the previous is 71 %.Conclusions. The theoretical features of the surface displacement simulation are investigated and the solution of this problem is proposed based on momentum conservation law. The implementation of the proposed methodology has a four times smaller simulation error compared to the previous technique, so it can be implemented in the non-contact PAT. The residual error can be caused by the properties of the tissue, which are not taken into account in the model, which requires further research.Проблематика. Фотоакустическая томография (ФAT) является относительно новым методом диагностики, который позволяет получить изображение сетки сосудов биологической ткани неинвазивно. Этот томографический метод имеет преимущество над другими сугубо оптическими/акустическими методами благодаря большому оптическому контрасту и низким потерям энергии в тканях. Общеизвестная методика ФАТ, которая основывается на измерениях акустического давления пьезоэлектрическими датчиками, размещенными на поверхности ткани, имеет ограниченное практическое применение. В статье описана новая, полностью бесконтактная ФAT-система с полным возбуждением. Исследовано основное отличие бесконтактной ФАТ, которое состоит в измерении отклонений поверхности ткани, вызванных акустическим давлением на границе ткань–воздух.Цель исследования. Решить задачу моделирования отклонения поверхности на основе давления внутри среды, которая состоит в выводе формулы для пересчета давления в отклонение поверхности на основе закона сохранения импульса, разработке методики моделирования и сравнения ошибки предложенной методики с раннее использованной.Методика реализации. Экспериментальные данные сравниваются с промоделированным отклонением поверхности в программе k-Wave toolbox. Критерий сравнения – относительная квадратическая ошибка.Результаты исследования. Промоделированные данные отклонения поверхности на основе новой методики больше соответствуют эксперименту в сравнении с предыдущей методикой. Квадратическая ошибка новой методики составляет 18 %, предыдущей – 71 %.Выводы. В работе исследованы теоретические особенности моделирования отклонения поверхности и предложено решение этой задачи на основании закона сохранения импульса. Реализация предложенной методики имеет в четыре раза меньшую ошибку моделирования отклонения в сравнении с предыдущей методикой, поэтому она может быть реализована в бесконтактной ФАТ. Остаточная ошибка может быть обусловлена свойствами ткани, которые не учтены в модели, что требует дальнейших исследований.Проблематика. Фотоакустична томографія (ФAT) є відносно новим методом діагностики, який дає змогу отримати зображення мережі судин біологічної тканини неінвазивно. Цей томографічний метод має перевагу над іншими суто оптичними/акус­тичними методами завдяки великому оптичному контрасту і низьким втратам енергії в тканинах. Загальновідома методика ФАТ, що базується на вимірюваннях акустичного тиску п’єзоелектричними датчиками, розміщеними на поверхні тканини, має обмежене практичне використання. У статті описана нова, повністю безконтактна ФAT-система з повним збудженням. Досліджено основну відмінність безконтактної ФАТ, що полягає у вимірюванні відхилень поверхні тканини, спричинених акустичним тиском на межі тканина–повітря.Мета дослідження. Розв’язати задачу моделювання відхилення поверхні на основі тиску всередині середовища, що полягає у виведенні формули для перерахунку тиску в відхилення поверхні на основі закону збереження імпульсу, розробці методики моделювання і порівняння помилки запропонованої методики з раніше використовуваною.Методика реалізації. Експериментальні дані порівнюються з промодельованим відхиленням поверхні в програмі k-Wave toolbox. Критерій порівняння – відносна квадратична помилка.Результати дослідження. Промодельовані дані відхилення поверхні на основі нової методики більше відповідають експерименту порівняно з попередньою методикою. Квадратична помилка нової методики становить 18 %, попередньої – 71 %.Висновки. У роботі досліджено теоретичні особливості моделювання відхилення поверхні та запропоновано розв’язання цієї задачі на основі закону збереження імпульсу. Реалізація запропонованої методики має в чотири рази меншу помилку моделювання відхилення порівняно з попередньою методикою, тому вона може бути реалізована у безконтактній ФАТ. Залишкова помилка може бути спричинена властивостями тканини, які не враховані в моделі, що потребує подальших досліджень

Noncontact holographic detection for photoacoustic tomography

A holographic method for high-speed, noncontact photoacoustic tomography is introduced and evaluated. Relative changes of the object's topography, induced by the impact of thermoelastic pressure waves, were determined at nanometer sensitivity without physical contact. The object's surface was illuminated with nanosecond laser pulses and imaged with a high-speed CMOS camera. From two interferograms measured before and after excitation of the acoustic wave, surface displacement was calculated and then used as the basis for a tomographic reconstruction of the initial pressure caused by optical absorption. The holographic detection scheme enables variable sampling rates of the photoacoustic signal of up to 50 MHz. The total acquisition times for complete volumes with 230 MVoxel is far below 1 s. Measurements of silicone and porcine skin tissue phantoms with embedded artificial absorbers, which served as a model for human subcutaneous vascular networks, were possible. Three-dimensional reconstructions of the absorbing structures show details with a diameter of 310 aem up to a depth of 2.5 mm. Theoretical limitations and the experimental sensitivity, as well as the potential for in vivo imaging depending on the detection repetition rate, are analyzed and discussed. (C) 2017 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)

Recommended guidelines for pain management programmes

Originally published in Optics Express on 07 September 2015 (oe-23-18-23217

Pre-referral rectal artesunate is no “magic bullet” in weak health systems

Abstract Severe malaria is a potentially fatal condition that requires urgent treatment. In a clinical trial, a sub-group of children treated with rectal artesunate (RAS) before being referred to a health facility had an increased chance of survival. We recently published in BMC Medicine results of the CARAMAL Project that did not find the same protective effect of pre-referral RAS implemented at scale under real-world conditions in three African countries. Instead, CARAMAL identified serious health system shortfalls that impacted the entire continuum of care, constraining the effectiveness of RAS. Correspondence to the article criticized the observational study design and the alleged interpretation and consequences of our findings. Here, we clarify that we do not dispute the life-saving potential of RAS, and discuss the methodological criticism. We acknowledge the potential for confounding in observational studies. Nevertheless, the totality of CARAMAL evidence is in full support of our conclusion that the conditions under which RAS can be beneficial were not met in our settings, as children often failed to complete referral and post-referral treatment was inadequate. The criticism did not appear to acknowledge the realities of highly malarious settings documented in detail in the CARAMAL project. Suggesting that trial-demonstrated efficacy is sufficient to warrant large-scale deployment of pre-referral RAS ignores the paramount importance of functioning health systems for its delivery, for completing post-referral treatment, and for achieving complete cure. Presenting RAS as a “magic bullet” distracts from the most urgent priority: fixing health systems so they can provide a functioning continuum of care and save the lives of sick children. The data underlying our publication is freely accessible on Zenodo

Задача расчета отклонения поверхности ткани для безконтактной фотоакустической томографии

The authors would like to acknowledge the support of EU financed project: AMMODIT (Approximation Methods for Molecular Modelling and Diagnosis Tools) — Grant Agreement №645672 within HORIZON 2020.Проблематика. Фотоакустична томографія (ФAT) є відносно новим методом діагностики, який дає змогу отримати зображення мережі судин біологічної тканини неінвазивно. Цей томографічний метод має перевагу над іншими суто оптичними/акустичними методами завдяки великому оптичному контрасту і низьким втратам енергії в тканинах. Загальновідома методика ФАТ, що базується на вимірюваннях акустичного тиску п’єзоелектричними датчиками, розміщеними на поверхні тканини, має обмежене практичне використання. У статті описана нова, повністю безконтактна ФAT-система з повним збудженням. Досліджено основну відмінність безконтактної ФАТ, що полягає у вимірюванні відхилень поверхні тканини, спричинених акустичним тиском на межі тканина–повітря. Мета дослідження. Розв’язати задачу моделювання відхилення поверхні на основі тиску всередині середовища, що полягає у виведенні формули для перерахунку тиску в відхилення поверхні на основі закону збереження імпульсу, розробці методики моделювання і порівняння помилки запропонованої методики з раніше використовуваною. Методика реалізації. Експериментальні дані порівнюються з промодельованим відхиленням поверхні в програмі k-Wave toolbox. Критерій порівняння – відносна квадратична помилка. Результати дослідження. Промодельовані дані відхилення поверхні на основі нової методики більше відповідають експерименту порівняно з попередньою методикою. Квадратична помилка нової методики становить 18 %, попередньої – 71 %. Висновки. У роботі досліджено теоретичні особливості моделювання відхилення поверхні та запропоновано розв’язання цієї задачі на основі закону збереження імпульсу. Реалізація запропонованої методики має в чотири рази меншу помилку моделювання відхилення порівняно з попередньою методикою, тому вона може бути реалізована у безконтактній ФАТ. Залишкова помилка може бути спричинена властивостями тканини, які не враховані в моделі, що потребує подальших досліджень.Background. Photoacoustic tomography (PAT) is a relatively new imaging modality,which allows e.g. visualizing the vascular network in biological tissue noninvasively. This tomographic method has an advantage in comparison to pure optical/acoustical methods due to high optical contrast and low acoustic scattering in deep tissue. The common PAT methodology, based on measurements of the acoustic pressure by piezoelectric sensors placed on the tissue surface, limits its practical versatility. A novel, completely non-contact and full-field PAT system is described. In noncontact PAT the measurement of surface displacement induced by the acoustic pressure at the tissue/air border is researched. Objective. To solve a simulation problem of the displacement calculation based on the medium pressure, which consists in deriving a formula for recalculating the pressure in the surface displacement based on the momentum conservation law, developing a simulation technique, and comparing the error of the proposed technique with the earlier used one. Methods. Comparing the experimental data with simulated pressure data in the k-Wave toolbox. The criterion of comparison is the relative quadratic error. Results. The simulation results of the displacement based on a new approach are more consistent with the experimental data than previous. The quadratic error numerical value of the new approach is 18 % and the previous is 71 %. Conclusions. The theoretical features of the surface displacement simulation are investigated and the solution of this problem is proposed based on momentum conservation law. The implementation of the proposed methodology has a four times smaller simulation error compared to the previous technique, so it can be implemented in the non-contact PAT. The residual error can be caused by the properties of the tissue, which are not taken into account in the model, which requires further research.Проблематика. Фотоакустическая томография (ФAT) является относительно новым методом диагностики, который позволяет получить изображение сетки сосудов биологической ткани неинвазивно. Этот томографический метод имеет преимущество над другими сугубо оптическими/акустическими методами благодаря большому оптическому контрасту и низким потерям энергии в тканях. Общеизвестная методика ФАТ, которая основывается на измерениях акустического давления пьезоэлектрическими датчиками, размещенными на поверхности ткани, имеет ограниченное практическое применение. В статье описана новая, полностью бесконтактная ФAT-система с полным возбуждением. Исследовано основное отличие бесконтактной ФАТ, которое состоит в измерении отклонений поверхности ткани, вызванных акустическим давлением на границе ткань–воздух. Цель исследования. Решить задачу моделирования отклонения поверхности на основе давления внутри среды, которая состоит в выводе формулы для пересчета давления в отклонение поверхности на основе закона сохранения импульса, разработке методики моделирования и сравнения ошибки предложенной методики с раннее использованной. Методика реализации. Экспериментальные данные сравниваются с промоделированным отклонением поверхности в программе k-Wave toolbox. Критерий сравнения – относительная квадратическая ошибка. Результаты исследования. Промоделированные данные отклонения поверхности на основе новой методики больше соответствуют эксперименту в сравнении с предыдущей методикой. Квадратическая ошибка новой методики составляет 18 %, предыдущей – 71 %. Выводы. В работе исследованы теоретические особенности моделирования отклонения поверхности и предложено решение этой задачи на основании закона сохранения импульса. Реализация предложенной методики имеет в четыре раза меньшую ошибку моделирования отклонения в сравнении с предыдущей методикой, поэтому она может быть реализована в бесконтактной ФАТ. Остаточная ошибка может быть обусловлена свойствами ткани, которые не учтены в модели, что требует дальнейших исследований

Expression of a cell-cycle-associated nuclear antigen (MIB 1) in cholesteatoma and auditory meatal skin

Sudhoff H, Hildmann H, Fisseler-Eckhoff A, Bujía J, Holly A, Schulz-Flake C. Expression of a cell-cycle-associated nuclear antigen (MIB 1) in cholesteatoma and auditory meatal skin. The Laryngoscope. 1995;105(11):1227-1231.Middle ear cholesteatoma is often invasive with consequent bone destruction. Inflammatory stimulation of the underlying connective tissue, as well as an autocrine mechanism, may be responsible for the dys‐regulation and abnormal proliferative features of the keratinocytes in cholesteatoma. Comparative investigations were performed to assess the epithelial cell kinetics of cholesteatoma and normal auditory meatal skin. Monoclonal antibody MIB 1 immuno‐staining (which recognizes a nuclear antigen expressed by dividing cells) was applied using the alkaline phosphatase antialkaline phosphatase im‐munolabeling method. Specimens of normal auditory meatal skin (n = 7) revealed an average MIB 1 score (quotient of the MIB 1‐positive cells and the total number of cells) of 7.6 ± 2.2%. Cholesteatoma samples (n = 13) showed an average MIB 1 score of 17.4 ± 8.9% and a heterogeneity of proliferating epithelial areas. Epithelial cones growing toward the underlying stroma exhibited high mitotic activity. Statistically, the results of this study confirm a highly significant increase in the proliferation rate of cholesteatoma keratinocytes, which had an MIB 1 score that was 2.3 times higher than the score for keratinocytes of normal external auditory meatal skin

Health worker compliance with severe malaria treatment guidelines in the context of implementing pre-referral rectal artesunate in the Democratic Republic of the Congo, Nigeria, and Uganda: An operational study.

BackgroundFor a full treatment course of severe malaria, community-administered pre-referral rectal artesunate (RAS) should be completed by post-referral treatment consisting of an injectable antimalarial and oral artemisinin-based combination therapy (ACT). This study aimed to assess compliance with this treatment recommendation in children under 5 years.Methods and findingsThis observational study accompanied the implementation of RAS in the Democratic Republic of the Congo (DRC), Nigeria, and Uganda between 2018 and 2020. Antimalarial treatment was assessed during admission in included referral health facilities (RHFs) in children under 5 with a diagnosis of severe malaria. Children were either referred from a community-based provider or directly attending the RHF. RHF data of 7,983 children was analysed for appropriateness of antimalarials; a subsample of 3,449 children was assessed additionally for dosage and method of ACT provision (treatment compliance). A parenteral antimalarial and an ACT were administered to 2.7% (28/1,051) of admitted children in Nigeria, 44.5% (1,211/2,724) in Uganda, and 50.3% (2,117/4,208) in DRC. Children receiving RAS from a community-based provider were more likely to be administered post-referral medication according to the guidelines in DRC (adjusted odds ratio (aOR) = 2.13, 95% CI 1.55 to 2.92, P ConclusionsDirectly observed treatment was often incomplete, bearing a high risk for partial parasite clearance and disease recrudescence. Parenteral artesunate not followed up with oral ACT constitutes an artemisinin monotherapy and may favour the selection of resistant parasites. In connection with the finding that pre-referral RAS had no beneficial effect on child survival in the 3 study countries, concerns about an effective continuum of care for children with severe malaria seem justified. Stricter compliance with the WHO severe malaria treatment guidelines is critical to effectively manage this disease and further reduce child mortality.Trial registrationClinicalTrials.gov (NCT03568344)