霊長類の比較死生学：歴史的、進化的および経験的アプローチ

京都大学新制・課程博士博士(理学)甲第24183号理博第4874号京都大学大学院理学研究科生物科学専攻(主査)准教授 足立 幾磨, 准教授 Huffman Michael Alan, 教授 今井 啓雄学位規則第4条第1項該当Doctor of ScienceKyoto UniversityDFA

Inclusion of biology in treatment planning for proton therapy

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiação em Diagnóstico e Terapia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017As doenças tumorais são das mais letais em todo o mundo, e são a causa do maior número de mortes após as doenças cardiovasculares. De acordo com a OMS (Organização Mundial de Saúde), estas foram responsáveis por 8,8 milhões de mortes, ou seja, 1 em cada 6 mortes no ano de 2015, e um aumento de 70% da incidência de cancro é esperado num futuro próximo. Em Portugal, o cancro foi responsável por 2516 mortes por milhão de habitantes em 2015, segundo um relatório da DGS (Direção Geral da Saúde). A radioterapia é uma das modalidades de tratamento prevalentes usadas para o combate ao cancro, a par da quimioterapia e da cirurgia, e que consiste no uso de radiação ionizante de um certo tipo e energia para provocar a destruição de células tumorais. No uso desta modalidade de tratamento, o pretendido é fazer a deposição da radiação no tecido tumoral, enquanto se reduz ao máximo a quantidade de radiação incidente nos tecidos saudáveis circundantes. Deste modo, é possível uma redução ou a completa destruição das células tumorais em crescimento descontrolado, enquanto as funções de tecidos e órgãos adjacentes são preservadas. Para que os efeitos secundários advindos de tratamentos com radiação sejam minorados, é também de grande importância a obtenção de imagens médicas da região de interesse. Estas permitem o delineamento das estruturas próximas ao tecido tumoral, e têm sido, a par das técnicas de tratamento, desenvolvidas nos últimos anos. Entre estas técnicas encontram-se as imagens de CT (Computerized Tomography), usadas abundantemente. Técnicas de tratamento são também continuamente desenvolvidas, das quais é exemplo a técnica VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) no tratamento com irradiação usando fotões, em que o tumor é irradiado de vários ângulos, o que permite uma deposição de dose rápida e muito precisa; e o desenvolvimento e uso crescente de irradiação usando partículas carregadas, especificamente iões pesados e protões. Existem algumas vantagens no uso de protões, e da técnica de IMPT (Intensity Modulated Proton Therapy) – modalidade em que, através de planeamento e otimização, a intensidade do feixe usado para o tratamento é alterado para que o perfil de dose coincida com a região do tumor – em relação ao uso de fotões para irradiação, que se prendem com a forma como a sua energia é depositada ao longo do seu percurso, e que culminam nos seus diferentes perfis de deposição de dose. Enquanto os fotões depositam a sua energia maioritariamente a baixas profundidades no tecido que atravessam, levando a uma deposição de dose (energia depositada por unidade de massa) máxima próximo à pele – no caso do uso de EBRT (External Beam Radiation Therapy), terapia em que se utiliza radiação produzida no exterior do paciente –, e com um decréscimo contínuo de energia depositada à medida que atravessa tecido. Por outro lado, os protões depositam a sua energia de uma forma abrupta ao chegar a uma certa profundidade num tecido: a deposição é ténue a baixas profundidades e atinge um pico, denominado pico de Bragg, que se encontra localizado a uma profundidade que está intimamente relacionada com a sua energia inicial; e deposita uma grande parte da sua energia numa curta distância. A profundidades superiores àquela em que se localiza o pico de Bragg, o perfil de deposição de dose decai muito rapidamente, com uma deposição residual apenas alguns milímetros após o pico. Devido a estas diferenças, a dose recebida por órgãos e tecidos que se encontrem numa posição proximal à região a irradiar é reduzida quando é usado um feixe de protões, reduzindo a probabilidade de danificar os mesmos; ajustando a energia do feixe de protões, é possível controlar a posição do pico de Bragg em profundidade, o que permite maximizar a dose depositada por cada feixe no tumor; e devido ao rápido decaimento no perfil de deposição de dose na zona distal ao pico de Bragg, os órgãos localizados nestas regiões podem ser mais protegidos. Por outro lado, a IMPT tem a desvantagem de ser um procedimento mais dispendioso do que a convencional IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy), equivalente da IMPT usando fotões, e os aparelhos para o seu uso menos disseminados. Para além disso, o facto de ser um tipo de radiação com propriedades diferentes das dos fotões leva a que o seu efeito em sistemas biológicos seja diferente. Face ao longo e abundantemente estudado uso de fotões, e a estudos conduzidos sobre o efeito de irradiações com feixes de protões sobre culturas celulares, está atualmente estabelecido pelo ICRU (International Commission of Radiation Units and Measurements) que para aplicações clínicas, se deve ter em conta que para atingir o mesmo efeito biológico de uma irradiação com fotões de uma certa dose é necessária uma dose de fotões 10% superior, ou seja, que o RBE (Relative Biological Effectiveness) de protões tem o valor de 1,1. O RBE pode ser usado para que, dada uma distribuição de dose de protões medida, se possa obter a distribuição de dose de fotões que produz efeitos equivalentes. O valor recomendado para o RBE é, no entanto, contestado. Em particular, diferentes estudos radiobiológicos reportam valores mais elevados para regiões de maior profundidade em tecido, e o seu aumento de acordo com o do LETd (Dose-averaged Linear Energy Transfer), a energia depositada por unidade de comprimento de trajeto, que é elevado em profundidades próximas ao pico de Bragg e para lá deste. Assim, destas publicações surgem diferentes modelos para o cálculo do RBE baseados no modelo LQ (Linear-Quadratic) que usam dados de irradiações de múltiplas linhagens celulares. Estes modelos são baseados nos valores do LET e da dose, que podem ser medidos diretamente. Ainda assim contêm grandes incertezas, que advêm das medições feitas em tecidos biológicos e os efeitos de feixes de protões nos mesmos, particularmente por dependerem do tipo de linhagem celular, da radiossensibilidade de diferentes tecidos, etc. Estes modelos revelam ainda assim que existem diferenças entre o valor atualmente utilizado em procedimentos clínicos e o que é observado experimentalmente, e visto que o valor do RBE é mais alto em maiores profundidades no tecido, é necessário que se tenha em conta este aumento, de especial interesse para os casos em que órgãos saudáveis importantes se encontram imediatamente após o tumor na trajetória do feixe. Aí a dose efetiva DRBE (RBE-weighted dose), que pode ser calculada multiplicando a dose física pelo RBE, é mais elevada, e pode levar a que um plano que fosse aceitável baseado na deposição física de dose se torne num plano clinicamente inaceitável por irradiação excessiva dos OAR (Organs At Risk). Devido às incertezas associadas aos modelos do RBE, uma alternativa foi proposta, em que uma versão simplificada do modelo LQ é usada, e que permite relacionar os valores do RBE diretamente com os valores de dose e LET. No âmbito desta tese, foram implementados modelos analíticos para o RBE, LET e também um modelo unidimensional para a dose, ao longo do eixo de propagação do feixe, usando o software MATLAB 2013a. O modelo para a deposição de dose foi útil do ponto de vista da validação da sua implementação, visto ter sido feita de raiz, a partir dum modelo disponível; mas também por permitir o ajuste de parâmetros livres à partida desconhecidos, como a incerteza associada à energia do feixe de protões simulados e um parâmetro de ajustamento entre o cálculo analítico e o obtido do software de otimização – ERASMUS iCycle – e cálculo de dose. O modelo para o LET foi também usado como método de validação por comparação com a publicação de origem e para o cálculo de uma distribuição de LET que não é obtida na otimização, e é usada para calcular a distribuição de RBE. Originalmente, o uso do RBE foi planeado como sendo o alvo de uma nova otimização usando o software ERASMUS iCycle, que mediante o fornecimento de uma matriz com a grandeza a otimizar e um ficheiro com restrições e objetivos – wishlist – baseadas nos contornos dos órgãos feitos por especialistas ou por software de delineamento sobre a imagem médica do paciente, dá como output uma distribuição tão boa quanto possível dessa grandeza sujeita às restrições impostas e objetivos a cumprir. No entanto, uma limitação do algoritmo deste software forçou o uso do produto do LET pela dose como grandeza a otimizar. Para além disso, a otimização desta grandeza com relevância biológica foi feita após uma otimização inicial sobre a dose física de protões, visto que esta não deve ser criticamente sacrificada por motivos de aceitação do plano final, num ambiente clínico. No final, as re-otimizações foram aplicadas em distribuições de dose de fantomas criados por um software com geometrias de interesse e com aproximação a casos clínicos. As distribuições geradas foram analisadas através dos DVH (Dose-Volume Histograms), que mostram a percentagem do volume de órgãos de interesse a receber uma certa quantidade de dose (e também o produto de dose com LET – LETDVH) recebida, e comparados os valores anteriores e posteriores à re-otimização, com diferentes ângulos de incidência do feixe e com e sem robustez – define se a otimização toma em atenção possíveis erros de posicionamento do paciente e do alvo.Intensity Modulated Proton Therapy (IMPT) is particle therapy modality based on the energy deposition profile of protons. Due to the fast energy loss of a proton at a certain depth in tissue, its depth-dose curve has a peak near the end of its range, which depends on its initial energy. For an IMPT treatment, various sets of proton beams are used to generate successive Bragg peaks, starting from a certain depth and decreasing, in order to fill an irradiation target with an as flat as possible dose deposition plateau – a spread-out Bragg peak (SOBP) –, with each set of beams covering the lateral spread of the target. This leads to a delivery of a conformal dose wash inside that target, while the low dose deposition in the entry region and the almost null one in the exit region allow for a high sparing of healthy tissue. Protons are particles with different properties to photons used for conventional radiotherapy, so they have a different effect on biological tissues. For that reason, they are given a relative biological effectiveness (RBE) of 1.1, a value which has been shown to differ depending on LET, dose, biological endpoint, etc. RBE is given by the ratio between a dose of a reference radiation (usually a well characterized photon source) and a dose of another kind of radiation, like protons, that produce the same biological endpoint. In this work, analytical models for dose and linear energy transfer (LET – particle energy loss per unit length) were implemented as a quicker alternative to Monte Carlo (MC) simulations, and to further implement an RBE model, of which the LET is a part of. Furthermore, this implementation was aimed to be used for biological optimization, but the RBE model is not compatible with the in-house built optimization software ERASMUS iCycle, at the Erasmus MC – Cancer Institute. As an alternative, an optimization on Dose × LET was implemented and applied on a water phantom with some similar to clinical scenario properties. Implementation of the analytical models worked well when comparing to the original models and worked without errors on a box-shaped water phantom and a head-shaped structure with water density. Optimization also worked after a previous optimization of the physical dose distribution using iCycle

Crosstalk between the myotome and muscle stem cells during the development of the skeletal muscles of the back

The deep back (or epaxial) muscles of amniotes derive from the transient myotomes, segmented embryonic muscles that develop from the delamination and differentiation of muscle stem cells (MuSCs) from the overlying dermomyotome. During embryonic development, myogenesis is ensured by the activation of key transcription factors: Myf5, Mrf4, MyoD and Myogenin. The main goal of this thesis was to investigate the role of the myotome in epaxial muscle development. In Chapter 2, a technique of culturing mouse embryo explants was developed, which allowed us to study the in vivo ex utero development of the epaxial myotome and its extracellular matrix (ECM). In Chapter 3, we analysed to what extent the myotome is necessary for later epaxial muscle development using the Myf5nlacZ/nlacZ mouse line, in which the absence of Myf5 and Mrf4 results in the lack of an early myotome. We show that one specific epaxial muscle group (the transversospinalis) is able to differentiate through MyoD, while the other three epaxial muscle groups fail to form. Moreover, we show that due to the lack of myotomal factors, the maintenance of the identity of delaminating dermomyotomal MuSCs fails. In Chapter 4, we described the organisation of laminins, fibronectin and tenascin-C ECMs during myotome development showing that each one of these ECMs potentially has a specific spatial relationship with MuSCs. Finally, Chapter 5 focuses on the role of the myotome in the organisation of these same ECMs and its role in tendon development, using Myf5nlacZ/nlacZ mouse embryos. We show that the myotome is necessary to assemble its own matrices, but these are not required for the development of the transversospinalis muscles. The results of this thesis suggest that the transversospinalis muscles have a distinct developmental mechanism from that of the remaining epaxial muscles and we propose that they are evolutionary more recent.Os músculos profundos das costas (ou epaxiais) dos amniotas derivam dos miótomos transientes, músculos embrionários segmentados que se desenvolvem a partir da delaminação e diferenciação das células estaminais musculares (CEMs) do dermomiótomo sobreposto. Durante o desenvolvimento embrionário, a miogénese é assegurada pela ativação de fatores de transcrição-chave miogénicos: Myf5, Mrf4, MyoD e Miogenina. Esta tese tem como principal objetivo perceber o papel do miótomo no desenvolvimento dos músculos epaxiais. No capítulo 2, descrevemos uma técnica de cultura de explantes de embrião de ratinho que nos permitiu estudar o desenvolvimento in vivo ex utero do miótomo epaxial e da sua matriz extracelular (MEC). No capítulo 3, analisamos até que ponto o miótomo é necessário para o desenvolvimento muscular epaxial que ocorre em fases mais tardias, recorrendo ao uso de embriões de ratinho Myf5nlacZ/nlacZ, cuja incapacidade de expressar Myf5 e Mrf4, leva a que não formem o miótomo embrionário. Aqui, demonstramos que um grupo muscular epaxial específico, nomeadamente o músculo transversospinalis é capaz de se diferenciar através da ativação de MyoD, ao passo que os restantes grupos musculares epaxiais não se formam. Mais ainda, demonstramos que a manutenção da identidade das CEMs do dermomiótomo que delaminam deste é comprometida devido à ausência de fatores parácrinos do miótomo. No capítulo 4, descrevemos a organização das matrizes de laminina, fibronectina e tenascina-C durante o desenvolvimento do miótomo, evidenciando que cada uma destas MECs tem uma potencial relação espacial com as CEMs. Por fim, o capítulo 5 atenta para a contribuição do miótomo na organização destas mesmas MECs e para desenvolvimento dos tendões recorrendo novamente aos embriões de ratinho Myf5nlacZ/nlacZ. Aqui, evidenciamos que o miótomo é apenas necessário para a montagem das suas próprias MECs, não sendo requerido para o desenvolvimento do músculo transversospinalis. Os resultados desta tese sugerem que o músculo transversospinalis tenha um mecanismo de desenvolvimento distinto dos restantes músculos epaxiais, e como tal, propomos que este músculo em particular seja evolutivamente mais recente

Deducing Operation Commutativity from Replicated Data Declaration

Distributed systems often resort to data replication not only to enhance their availability but also to reduce user-perceived latency by balancing the load between replicas and routing their requests accordingly. The choice of which consistency level that should be adopted by these replicated systems is critical for the fulfilment of their performance and correctness requirements. However, defining a strategy that strikes the right balance between these concerns in this type of environments is far from being a trivial task due to the related overheads that are amplified in distributed scenarios. Recognising the tension between latency and consistency, many systems allow multiple consistency levels to coexist. Nevertheless, the performance fine-tuning mechanisms supported by the existing hybrid solutions place a high burden on the programmer since the necessary input can be somehow complex requiring him to understand the semantics of each operation of the service he is developing in order to correctly instruct the system on how to handle concurrent updates. Thus, specifying operation dependencies, orderings and invariants to be preserved or even picking the right consistency level to be assigned to a certain data item is, generally, an error-prone task that hinders reasoning. To overcome this adversity, this work aims to reduce the effort spent by the programmer by only requiring the latter to introduce a simple and intuitive input at data declaration. Following this approach, reasoning is centralised and all accesses to replicated data are identified automatically. With all data accesses identified, it is then possible to deduce the side effects of each operation and determine, for each one of them, those with which it conflicts. In this context, this thesis also presents a compile-time analysis applied to the Java language able to evaluate operation pairwise commutativity from the input given at data declaration

Map Services Management

About 20 years ago, Google and other companies introduced the tiled maps, and nowadays, it is possible to produce similar work using open data and open source software. Web Map Service and Tile Map Service are a set of open standards to provide ways for users to access and visualize maps by interacting with geospacial data, over the internet. Most of the solutions to provide maps, make use of geospacial databases like PostgreSQL/PostGIS or MBTiles/PMTiles. Dedicated servers follows the standards specified by organizations such as Open Geospatial Consortium. The main goal of this work is to create a centralized and scalable solution that publish basemaps for a predefined set of geographic regions. These basemaps are displayed as part of a desktop or mobile applications with internet access. In order to fulfill this purpose, the best approach is, for each geographic region, to generate a MBTile database using raw data extract of the OpenStreetMap packed by Geofabrik. The raw data are also combined with a second data source, Natural Earth, to complete the map information at smaller scales. The final result goes through a process of cartographic generalization to be able to access only the relevant geospatial data at a given map scale or zoom level. The data are published as vector tiles, using a tile server, and for legacy applications there’s also the possibility to display the basemaps as raster tiles. Another available option is to use PMTiles files, which are similar to MBTiles but cloud optimized and suitable for serverless solutions. In the interest of ensuring good performance and stability, it is possible to keep everything together behind a reverse proxy, using as an example a Nginx server. Taking advantage of HTTP range requests functionality, also available in Nginx, it is possible to consider the serverless option of PMTiles and the standard tile server under the same umbrella. Finally, two points were considered and explored as opportunities for improvement, however not fully implemented. The first is the ability to cache vector/raster tiles requests, and the second is the ability to deploy the solution supported by a Content Delivery Network.Google e outros serviços introduziram o tiled maps há cerca de 20 anos. Atualmente, é possível produzir trabalhos semelhantes usando dados e software de código abertos. Web Map Service e Tile Map Service são um conjunto de protocolos padrão abertos que fornecem aos utilizadores uma forma de acederem e visualizarem mapas interagindo com dados geoespaciais, através da Internet. A maioria das soluções que fornecem mapas fazem uso de bases de dados geoespaciais PostgreSQL/PostGIS ou MBTiles/PMTiles. Os servi dores são dedicados conforme normas padrão especificadas por instituições como a Open Geospatial Consortium. O principal objetivo deste trabalho é criar uma solução centralizada e escalável que publique mapas de base para um conjunto predefinido de regiões geográficas. Estes mapas de base devem ser mostrados numa aplicação desktop ou mobile com acesso à internet. De forma a atingir este propósito, a melhor abordagem é, para cada região geográfica, gerar uma base de dados MBTile, usando extratos de dados em bruto do OpenStreetMap disponibilizados pela Geofabrik. Os dados em bruto são também combinados com uma segunda fonte de dados, o Natural Earth, para completar a informação do mapa nas escalas menores. O resultado final passa por um processo de generalização cartográfica de forma a disponibilizar os dados geoespaciais relevantes para uma determinada escala ou um determinado nível de zoom do mapa. Os dados são publicados como vector tiles, usando um tile server, e para aplicações legacy também existe a possibilidade de disponibilizar os mapas em formato raster. Existe uma outra opção que consiste na utilização de ficheiros PMTile, que são ficheiros similares aos MBTiles mas otimizados para a cloud e disponibilizados num princípio serverless. De forma a garantir um bom desempenho e estabilidade, é possível agregar toda a solução atrás de uma reverse proxy usando por exemplo um servidor Nginx. Tirando partido da funcionalidade HTTP range requests, disponível também no Nginx, torna-se possível servir PMTiles (serverless) e Tile servers sob a mesma infraestrutura. Por fim, mais dois pontos foram considerados e explorados como oportunidades de melhoria, mas não foram totalmente implementados. O primeiro é a capacidade de armazenar em cache pedidos de Tiles vector/raster e o segundo é a capacidade de disponibilizar a solução apoiada num Content Delivery Network