High Performance Algorithms and Software for Nonlinear Optimization

Abstract New general theorems of the alternative are presented. The constructive proofs based on the duality theory are given. From these results many well-known theorems of the alternative are obtained by simple substitutions. Computational applications of theorems of the alternative to solving linear systems, LP and NLP problems are given. A linear systems of possibly unsolvable equalities and inequalities are considered. With original linear system an alternative system is associated such that one and only one of these systems is consistent. If the original system is solvable then numerical method for solving this system consists of minimization of the residual of the alternative inconsistent system. From the results of this minimization the normal solution of the original system is determined

МОЛЕКУЛЯРНО–ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПРОЦЕССА НИТРИДИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ Si(111) В Атмосфере NH₃

Molecular dynamic modeling of the deposition of a single ammonium molecule on the (111) surface of silicon has been carried out. We have used the process of parametric identification of interatomic interaction potentials for the atomic system being described. We have developed software for the molecular dynamic calculations that allows optimizing the geometry of the structures being considered and visualizing the results. To verify the results of molecular dynamic modeling we have carried out quantum mechanical calculations on a supercomputer. We have obtained the interatomic interaction potentials that allow deriving potentials suitable for further calculations during the modeling of the adsorption of an ammonium molecule on silicon surface. For example, they provide for a correct reproduction of the results of first−principle modeling of the interaction between an adsorbed nitrogen atom and silicon surface and the energy parameters of adsorption. Using the Tersoff potential with the parameters obtained as a result of parametric identification we modeled the position providing for the lowest total energy. This position is the most energetically favorable for an adsorbed atom.Проведено молекулярно−динамическое (МД) моделирование процесса осаждения одиночной молекулы аммиака на поверхность (111) кремния. Для решения поставленной задачи применена процедура параметрической идентификации потенциалов межатомного взаимодействия для описываемой системы атомов. Для проведения МД−расчетов разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять оптимизацию геометрии исследуемых структур, а также визуализировать получаемые результаты. Для верификации результатов МД−моделирования проведены квантово−механические расчеты на супер−ЭВМ. Получены значения параметров потенциалов межатомного взаимодействия, которые позволяют строить потенциалы, пригодные для использования в дальнейших расчетах по моделированию процесса адсорбции молекулы аммиака на поверхности кремния. В частности, с их помощью корректно воспроизводятся результаты первопринципного моделирования взаимодействия адсорбированного атома азота с поверхностью кремния и энергетика процесса адсорбции. С помощью потенциала Терсофа со значениями параметров, полученными в результате параметрической идентификации, удалось смоделировать положение с наименьшей полной энергией. Это положение соответствует наиболее энергетически предпочтительному размещению адсорбированного атома азота при адсорбции.

Science Requirements and Conceptual Design for a Polarized Medium Energy Electron-Ion Collider at Jefferson Lab

This report presents a brief summary of the science opportunities and program of a polarized medium energy electron-ion collider at Jefferson Lab and a comprehensive description of the conceptual design of such a collider based on the CEBAF electron accelerator facility.Comment: 160 pages, ~93 figures This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Nuclear Physics, under Contract No. DE-AC05-06OR23177, DE-AC02-06CH11357, DE-AC05-060R23177, and DESC0005823. The U.S. Government retains a non-exclusive, paid-up, irrevocable, world-wide license to publish or reproduce this manuscript for U.S. Government purpose

Анализ топографических сценариев формирования очагов кальцификации в дисфункциональных клапанах сердца и атеросклеротических бляшках

Aim. To analyze the topographic patterns of valvular and atherosclerotic calcification growth.Methods.           Dysfunctional aortic valves (n = 18) and atherosclerotic plaques (n = 20) were fixed in formalin, postfixed in 1% osmium tetroxide, consecutively stained by 2% osmium tetroxide and 2% uranyl acetate, and embedded into epoxy resin (Epon) with the further grinding and polishing ofthe samples. Upon the counterstaining by lead citrate and sputter coating with carbon, samples were visualized by backscattered scanning electron microscopy. Elemental analysis was conducted via energy-dispersive X-ray spectroscopy. Measurement of Ca/P ratio within the mineral deposits was carried out employing a pool table principle (i.e., in the center of the deposit, in the near and far circumferences (clockwise), and in control regions around the mineral deposit). Topographic patterns of calcifications were modeled using the correlation analysis.             Results. Significant correlation was revealed between the Ca/P ratio in the deposit center and in the near and far circumferences of deposit in both in valvular (r = 0,35-0,78 - near circumference; r = 0,63-0,69 - far circumference) and atherosclerotic mineral deposits (r = 0,37-0,56 - near circumference; r = 0,48-0,63 - far circumference), suggesting the hierarchical growth of cardiovascular calcification around the initial nucleation sites.Conclusion.       Valvular and atherosclerotic calcifications development is concentric.Цель. Проанализировать топографические сценарии формирования кальцифика-тов в дисфункциональных аортальных клапанах сердца и атеросклеротических бляшках.Материалы и методы. Дисфункциональные аортальные клапаны сердца (n = 18) и атеросклеротические бляшки (n = 20) фиксировали в формалине, постфиксировали в 1% тетраоксиде осмия, последовательно окрашивали 2% тетраоксидом осмия и 2% ура-нилацетатом и заключали в эпоксидную смолу Epon с последующей шлифовкой и полировкой сформованных блоков. После контрастирования цитратом свинца и напыления углеродом проводили визуализацию образцов методом сканирующей электронной микроскопии в обратно рассеянных электронах и элементный анализ кальцификатов методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Измерение соотношения Ca/P в кальцификатах аортальных клапанов и бляшек произведено по схеме «бильярдного стола» в центре кальцификата и часовой стрелке в ближней и дальней окружностях, а также в контрольных участках возле и вдали от кальцификата. Топографические сценарии формирования кальцификатов моделировали при помощи корреляционного анализа.Результаты. Выявлена значимая корреляция соотношения Ca/P в центре кальцификата с таковой в ближней и дальней окружностях как в клапанных (г = 0,35-0,78 в ближней окружности; г = 0,63-0,69 в дальней окружности), так и атеросклеротических (г = 0,37-0,56 в ближней окружности; г = 0,48-0,63 в дальней окружности) кальцификатах, что свидетельствует об иерархическом принципе формирования очагов кальцификации.Заключение. Кальцификация в кальцинированных аортальных клапанах сердца и атеросклеротических бляшках развивается по концентрическому принципу (от центра к периферии)

Компьютерное моделирование заплат различной формы при классической каротидной эндартерэктомии

Objective: to construct geometric models of carotid bifurcation and build a computer modeling for carotid endarterectomy (CEA) operations with patches of various configurations.Materials and methods. The method uses reconstructed models of a healthy blood vessel obtained from a preoperative computed tomography (CT) study of the affected blood vessel of a particular patient. Flow in the vessel is simulated by computational fluid dynamics using data from the patient's ultrasonic Doppler velocimetry and CT angiography. Risk factors are assessed by hemodynamic indices at the vessel wall associated with Wall Shear Stress (WSS).Results. We used the proposed method to study the hemodynamic results of 10 virtual CEA operations with patches of various shapes on a reconstructed healthy artery of a particular patient. The reason for patch implantation was to ensure that the vessel lumen is not narrowed as a result of the surgery, since closing the incision without a patch can reduce the vessel lumen circumference by 4–5 mm, which adversely affects blood flow. On the other hand, too wide a patch creates aneurysmorphic deformation of the internal carotid artery (ICA) mouth, which is not optimal due to formation of a large recirculation zone. In this case, it was found that the implanted patch width of about 3 mm provides an optimal hemodynamic outcome. Deviations from this median value, both upward and downward, impair hemodynamics. The absence of a patch gives the worst of the results considered.Conclusion: The proposed computer modeling technique is able to provide a personalized patch selection for classical CEA with low risk of restenosis in the long-term follow-up.Цель исследования: описание метода построения геометрических моделей бифуркации сонной артерии с помощью компьютерного моделирования операций каротидной эндартерэктомии (КЭА) с заплатами различной конфигурации.Материлы и методы. Метод использует реконструированные модели здорового сосуда, полученные с помощью предоперационного компьютерного томографического исследования пораженного сосуда конкретного пациента. Течение в сосуде моделируется методом вычислительной гидродинамики с использованием данных ультразвуковой доплеровской велосиметрии пациента. Факторы риска оцениваются по гемодинамическим показателям на стенке сосуда, связанным с WSS.Результаты. В работе с помощью предложенного метода исследованы гемодинамические результаты 10 виртуальных операций КЭА с заплатами различной формы на примере реконструированной здоровой артерии конкретного пациента. Смысл имплантации заплаты состоит в том, чтобы в результате операции просвет сосуда не был сужен, поскольку закрытие разреза без заплаты может уменьшить длину окружности просвета сосуда на 4–5 мм, что неблагоприятно сказывается на кровотоке. С другой стороны, слишком широкая заплата создает аневризмоморфную деформацию устья внутренней сонной артерии (ВСА), что не является оптимальным ввиду формирования большой зоны рециркуляции. В рассматриваемом случае установлено, что ширина имплантированной заплаты, приблизительно равная 3 мм, обеспечивает оптимальный гемодинамический результат. Отклонения от этого медианного значения как в большую, так и в меньшую сторону ухудшают гемодинамику, а отсутствие заплаты дает наихудший из рассмотренных результатов.Заключение. Предложенная методика компьютерного моделирования способна обеспечить персонифицированный подбор заплаты для классической КЭА с низким риском развития рестеноза в отдаленном периоде наблюдения

Investigating volatile compounds in the Bacteroides secretome

Microorganisms and their hosts communicate with each other by secreting numerous components. This cross-kingdom cell-to-cell signaling involves proteins and small molecules, such as metabolites. These compounds can be secreted across the membrane via numerous transporters and may also be packaged in outer membrane vesicles (OMVs). Among the secreted components, volatile compounds (VOCs) are of particular interest, including butyrate and propionate, which have proven effects on intestinal, immune, and stem cells. Besides short fatty acids, other groups of volatile compounds can be either freely secreted or contained in OMVs. As vesicles might extend their activity far beyond the gastrointestinal tract, study of their cargo, including VOCs, is even more pertinent. This paper is devoted to the VOCs secretome of the Bacteroides genus. Although these bacteria are highly presented in the intestinal microbiota and are known to influence human physiology, their volatile secretome has been studied relatively poorly. The 16 most well-represented Bacteroides species were cultivated; their OMVs were isolated and characterized by NTA and TEM to determine particle morphology and their concentration. In order to analyze the VOCs secretome, we propose a headspace extraction with GC–MS analysis as a new tool for sample preparation and analysis of volatile compounds in culture media and isolated bacterial OMVs. A wide range of released VOCs, both previously characterized and newly described, have been revealed in media after cultivation. We identified more than 60 components of the volatile metabolome in bacterial media, including fatty acids, amino acids, and phenol derivatives, aldehydes and other components. We found active butyrate and indol producers among the analyzed Bacteroides species. For a number of Bacteroides species, OMVs have been isolated and characterized here for the first time as well as volatile compounds analysis in OMVs. We observed a completely different distribution of VOC in vesicles compared to the bacterial media for all analyzed Bacteroides species, including almost complete absence of fatty acids in vesicles. This article provides a comprehensive analysis of the VOCs secreted by Bacteroides species and explores new perspectives in the study of bacterial secretomes in relation the intercellular communication

Непосредственные результаты применения биологического полукаркасного протеза «ТиАра» и каркасного биологического протеза «ЮниЛайн»: анализ propensity score matching

Highlights. It is the first pseudorandomized comparative study of xenopericardial frame and half-frame bioprostheses treated with diepoxin in the aortic position use and its direct results.Aim. A comparative assessment using the Propensity Score Matching method of the in-hospital clinical and hemodynamic results of the semi-framed epoxy-treated xenopericardial prosthesis “T-ara” and the framed epoxy-treated xenopericardial prosthesis “UniLine” (“NeoKor”, Kemerovo, Russia) for isolated aortic valve replacement implantation.Methods. 33 recipients of the “UniLine” prosthesis were selected by Propensity Score Matching method in a ratio of 1:1 to 33 observations from the “T-ara” group according to the compliance criteria: gender, age, body surface area, end-diastolic volume of the left ventricle (LV) and the pre-operative presence/absence of the aortic regurgitation.Results. Hospital mortality in the “T-ara” and “UniLine” groups was 3.03 (n = 1) and 6.06% (n = 2), respectively, p = 0.920. Non-fatal complications in the “T-ara” and “UniLine” groups was 7 (21.2%) and 18 (54.6%), p = 0.163. The incidence of postoperative heart failure and arrhythmias was higher in “UniLine” recipients (p = 0.001). The average stay in the intensive care unit was longer in the “UniLine” group than in the “T-ara” group, p = 0.05. Postoperative end-systolic and end-diastolic dimensions and volumes (and the corresponding indexes) of the LV,       as well as the myocardial mass and its index in both groups had no statistically significant changes in relation to preoperative data. The comparative assessment of left ventricular remodeling parameters depending on the prosthetic size revealed no significant differences. The average pressure gradient in the “T-ara» and “UniLine” group of size 21mm was 12.2±7.4 and 12.2±5.0 mm Hg. (p>0.050). The average pressure gradient in the group “T-ara” and “UniLine” size 23–25 mm was 10.2±4.1 and 9.9±0.3 mm Hg, p>0.050. The regression degree of LV myocardial mass index in the groups did not have significant differences.Conclusion. At the hospital stage, the semi-framed epoxy-treated biological prosthesis “T-ara” has a similar clinical and hemodynamic profile with the framed biological prosthesis “UniLine”. The frequency of postoperative heart  failure  and cardiac arrhythmias is statistically significantly higher in the “UniLine” group (framed bioprostheses).Основные положения. Первое псевдорандомизированное сравнительное исследование непосредственных результатов применения ксеноперикардиальных каркасных и полукаркасных диэпоксиобработанных биопротезов в аортальной позиции.Цель. Провести сравнительную оценку с применением метода Propensity Score Matching непосредственных клинических и гемодинамических результатов имплантации полукаркасного эпоксиобработанного ксеноперикардиального протеза «Тиара» и каркасного эпоксиобработанного ксеноперикардиального протеза «Юнилайн» (ЗАО «НеоКор», Кемерово, РФ) при изолированном пороке аортального клапана.Материалы и методы. Методом псевдорандомизации в соотношении 1:1 к 33 наблюдениям из группы «Тиара» было подобрано 33 реципиента протеза «Юнилайн» по критериям соответствия: пол, возраст, площадь поверхности тела, конечный диастолический объём левого желудочка (ЛЖ) и наличие/отсутствие регургитации на нативном аортальном клапане.Результаты. Госпитальная летальность в группе «Тиара» и «ЮниЛайн» составила 3,03 (n = 1) и 6,06% (n = 2) соответственно, p = 0,920. Количество пациентов с нелетальными осложнениями в группе «Тиара» и «Юнилайн» составило 7 (21,2%) и 18 (54,6%), p = 0,163. Частота острой сердечной недостаточности и нарушений ритма была статистически значимо (p = 0,001) выше у реципиентов «ЮниЛайн». Также у реципиентов «Юнилайн» среднее время нахождения в палате интенсивной терапии и пребывание в стационаре были продолжительнее (на 0,7 и на 2,8 дня соответственно), чем в группе «Тиара», p = 0,05. После коррекции порока такие ультразвуковые параметры как конечно-систолический и конечно-диастолический размеры и объемы (и соответствующие им индексы) ЛЖ, а также масса его миокарда и её индекс в обеих группах не имели статистически значимых изменений по отношению к дооперационным данным. При сравнительной оценке параметров ремоделирования ЛЖ в зависимости от типоразмера протеза значимых различий не выявлено. При оценке транспротезной гемодинамики средний градиент давления в группе «Тиара» и «Юнилайн» 21-го типоразмера составил 12,2±7,4 и 12,2±5,0 мм рт. ст. (р>0,050). Средний градиент давления в группе «Тиара» и «Юнилайн» 23–25-го типоразмера был 10,2±4,1 и 9,9±0,3 мм рт. ст., р>0,050. Степень регресса индекса массы миокарда ЛЖ в группах не имела достоверных отличий.Заключение. На госпитальном этапе полукаркасный эпоксиобработанный биологический протез «Тиара» имеет схожий клинический и гемодинамический профиль с каркасным биологическим протезом «Юнилайн». Частота послеоперационной сердечной недостаточности и нарушений ритма сердца статистически значимо выше в группе каркасных биопротезов «Юнилайн»

A new class of glycomimetic drugs to prevent free fatty acid-induced endothelial dysfunction

Background: Carbohydrates play a major role in cell signaling in many biological processes. We have developed a set of glycomimetic drugs that mimic the structure of carbohydrates and represent a novel source of therapeutics for endothelial dysfunction, a key initiating factor in cardiovascular complications. Purpose: Our objective was to determine the protective effects of small molecule glycomimetics against free fatty acid­induced endothelial dysfunction, focusing on nitric oxide (NO) and oxidative stress pathways. Methods: Four glycomimetics were synthesized by the stepwise transformation of 2,5­dihydroxybenzoic acid to a range of 2,5­substituted benzoic acid derivatives, incorporating the key sulfate groups to mimic the interactions of heparan sulfate. Endothelial function was assessed using acetylcholine­induced, endotheliumdependent relaxation in mouse thoracic aortic rings using wire myography. Human umbilical vein endothelial cell (HUVEC) behavior was evaluated in the presence or absence of the free fatty acid, palmitate, with or without glycomimetics (1µM). DAF­2 and H2DCF­DA assays were used to determine nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS) production, respectively. Lipid peroxidation colorimetric and antioxidant enzyme activity assays were also carried out. RT­PCR and western blotting were utilized to measure Akt, eNOS, Nrf­2, NQO­1 and HO­1 expression. Results: Ex vivo endothelium­dependent relaxation was significantly improved by the glycomimetics under palmitate­induced oxidative stress. In vitro studies showed that the glycomimetics protected HUVECs against the palmitate­induced oxidative stress and enhanced NO production. We demonstrate that the protective effects of pre­incubation with glycomimetics occurred via upregulation of Akt/eNOS signaling, activation of the Nrf2/ARE pathway, and suppression of ROS­induced lipid peroxidation. Conclusion: We have developed a novel set of small molecule glycomimetics that protect against free fatty acidinduced endothelial dysfunction and thus, represent a new category of therapeutic drugs to target endothelial damage, the first line of defense against cardiovascular disease