Analysis and parametrisation of an IBM of a Leishmania infantum in vitro culture

Leishmaniasis is a vector borne protozoan parasitic disease with the ninth highest burden amongst infectious diseases. There is a pressing need for the development of novel, improved drugs for its treatment. Currently, the knowledge of the mechanisms of action of the parasite and the drugs that treat it is still limited. As a consequence, drug research begins with in vitro screening. This makes an increase in the understanding of Leishmania infected macrophage cultures necessary for the improvement of drug screening methods. Aim: The purpose of this work is to parametrise an individual based model (IBM) of a Leishmania infantum and murine cell line RAW 264.7 in vitro culture. This process consists of the comparison of experimental results and the simulation outcome of the IBM. It is a necessary process in order to adjust the parameters of the model so that it gives the closest representation of the real system. On the one hand, this serves to shed light on the behaviour of this particular culture. On the other hand, the work proposes a mathematical methodology for parametrisation that is extensible to other cultures (different strains, cell lines, parasite species and medium composition). Experimental methods: The experimental design used to obtain the experimental data for the parametrisation of the model is described. The percentage of infected macrophages and the number of parasites per cell was determined at several time-points after infection. Parametrisation: The mathematical methodology for parametrisation is described and applied to this particular model. A preliminary analysis of the model was carried out in order to determine, for each parameter, the interval of values where simulation outcome and experimental results were most similar. The combination of these intervals, the parameter space, was then sampled using the Latin Hypercube Sampling (LHS) technique. Finally, the sampled combinations were implemented in the model and the outcome analysed. Results: On the one hand, a mathematical methodology for the parametrisation process was developed, extensible to different cultures. One the other hand, the combination that best reproduces the experimental results was determined. Conclusion: The development of the IBM has the potential to increase our understanding of the system and, therefore, lead to a more accurate approach in understanding and evaluating drug assays. However, the model still requires further expansion. In spite of the satisfactory results, there are still some improvements to be made to the parametrisation methodology.La leishmaniosi és una malaltia parasitària provocada per un protozou transmès per un vector. La seva incidència la situa com la novena malaltia infecciosa a nivell mundial. La necessitat de desenvolupar fàrmacs nous i millors és imperiosa. Actualment, encara, els coneixements sobre el mecanisme d'acció del paràsit i dels fàrmacs són limitats. Com a conseqüència, la recerca de nous fàrmacs s'inicia amb assajos in vitro. Això fa imprescindible per a la millora dels mètodes de triatge de fàrmacs una millor comprensió dels cultius de macròfags infectats per Leishmania. Objectiu: El propòsit d'aquest treball és parametritzar un model basat en l'individu (IBM) del cultiu in vitro de Leishmania infantum i la línia cel·lular murina RAW 264.7. Aquest procés implica la comparació de resultats experimentals amb les sortides del simulador i és necessari per a ajustar els paràmetres del model de manera que aquest representi amb màxima fidelitat el sistema real. Per una banda, serveix per a incrementar la comprensió del comportament d'aquest cultiu en particular. Per altra banda, el treball proposa una metodologia matemàtica per a la parametrització que pretén ser extensible a altres cultius (diferents soques, línies cel·lulars, espècies i composicions del medi). Mètode experimental: Es descriu el mètode experimental emprat per a obtenir les dades utilitzades per a la parametrització. Es determinen a diferents instants de temps el percentatge de macròfags infectats i el nombre de paràsits per cèl·lula. Parametrització: Es desenvolupa una metodologia matemàtica per a la parametrització i s'aplica a aquest model en particular. Un anàlisi preliminar permet establir en quins rangs de valors dels paràmetres la sortida del simulador s'assembla més a les dades experimentals. El conjunt d'aquests intervals, l'espai de paràmetres, és mostrejat amb la tècnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalment, les combinacions de paràmetres mostrejades són implementades en el model i s'analitza el resultat. Resultats: Per una banda, s'ha desenvolupat una metodologia matemàtica per al procés de parametrització que és extensible a diferents cultius. Per altra banda, s'ha determinat la combinació de paràmetres mostrejats que millor reprodueix els resultats experimentals. Conclusions: El desenvolupament d'una metodologia per parametritzar models basats en l'individu té el potencial d'incrementar la nostra comprensió del sistema i, per tant, portarà a un enfocament més apropiat per a la comprensió i avaluació dels assajos de fàrmacs. Malgrat els bons resultats es constata que es poden realitzar, encara, algunes millores en la metodologia de parametrització.La leishmaniasis es una enfermedad parasitaria provocada por un protozoo transmitido por un vector. Su incidencia la sitúa como la novena enfermedad infecciosa a nivel mundial. La necesidad de desarrollar fármacos nuevos y mejores es imperante. Actualmente, los conocimientos sobre el mecanismo de acción del parásito y los fármacos son aún limitados. Como consecuencia, la investigación de nuevos fármacos empieza con ensayos in vitro. Es necesaria para la mejora de los métodos de elección de fármacos una mejor comprensión de los cultivos de macrófagos infectados por Leishmania. Objetivo: El propósito de este trabajo es parametrizar un modelo basa en el individuo (IBM) del cultivo in vitro de Leishmania infantum y la línea celular murina RAW 264.7. Este proceso implica la comparación de resultados experimentales con las salidas del simulador y es necesario para ajustar los parámetros del modelo de manera que este represente con máxima fidelidad el sistema real. Por un lado, sirve para incrementar la compresión del comportamiento de este cultivo en particular. Por otro lado, el trabajo propone una metodología matemática para la parametrización que pretende ser extensible a otros cultivos (diferentes cepas, líneas celulares, especies y composiciones del medio). Método experimental: Se describe el método experimental utilizado para obtener los datos usados para la parametrización. Se determinan a diferentes instantes de tiempo el porcentaje de macrófagos infectados y el número de parásitos por célula. Parametrización: Se desarrolla una metodología matemática para la parametrización y se aplica a este modelo en particular. Un análisis preliminar permite establecer en qué rangos de los valores de los parámetros la salida del simulador es más parecida a los datos experimentales. El conjunto de estos intervalos, el espacio de parámetros, se muestrea con la técnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalmente, las combinaciones de parámetros muestreados son implementados en el modelo y su resultado es analizado. Resultados: Por un lado, se ha desarrollado una metodología matemática para el proceso de parametrización que es extensible a diferentes cultivos. Por otro lado, se ha determinado la combinación de parámetros muestreados que mejor reproduce los resultados experimentales. Conclusiones: El desarrollo de un IBM tiene el potencial de incrementar nuestra comprensión del sistema y, por tanto, llevará a un enfoque más apropiado para la comprensión y evaluación de los ensayos de fármacos. Sin embargo, el modelo requiere expansión. A pesar de los buenos resultados, se constata que se pueden realizar mejoras en la metodología de parametrización

Analysis and parametrisation of an IBM of a Leishmania infantum in vitro culture

Leishmaniasis is a vector borne protozoan parasitic disease with the ninth highest burden amongst infectious diseases. There is a pressing need for the development of novel, improved drugs for its treatment. Currently, the knowledge of the mechanisms of action of the parasite and the drugs that treat it is still limited. As a consequence, drug research begins with in vitro screening. This makes an increase in the understanding of Leishmania infected macrophage cultures necessary for the improvement of drug screening methods. Aim: The purpose of this work is to parametrise an individual based model (IBM) of a Leishmania infantum and murine cell line RAW 264.7 in vitro culture. This process consists of the comparison of experimental results and the simulation outcome of the IBM. It is a necessary process in order to adjust the parameters of the model so that it gives the closest representation of the real system. On the one hand, this serves to shed light on the behaviour of this particular culture. On the other hand, the work proposes a mathematical methodology for parametrisation that is extensible to other cultures (different strains, cell lines, parasite species and medium composition). Experimental methods: The experimental design used to obtain the experimental data for the parametrisation of the model is described. The percentage of infected macrophages and the number of parasites per cell was determined at several time-points after infection. Parametrisation: The mathematical methodology for parametrisation is described and applied to this particular model. A preliminary analysis of the model was carried out in order to determine, for each parameter, the interval of values where simulation outcome and experimental results were most similar. The combination of these intervals, the parameter space, was then sampled using the Latin Hypercube Sampling (LHS) technique. Finally, the sampled combinations were implemented in the model and the outcome analysed. Results: On the one hand, a mathematical methodology for the parametrisation process was developed, extensible to different cultures. One the other hand, the combination that best reproduces the experimental results was determined. Conclusion: The development of the IBM has the potential to increase our understanding of the system and, therefore, lead to a more accurate approach in understanding and evaluating drug assays. However, the model still requires further expansion. In spite of the satisfactory results, there are still some improvements to be made to the parametrisation methodology.La leishmaniosi és una malaltia parasitària provocada per un protozou transmès per un vector. La seva incidència la situa com la novena malaltia infecciosa a nivell mundial. La necessitat de desenvolupar fàrmacs nous i millors és imperiosa. Actualment, encara, els coneixements sobre el mecanisme d'acció del paràsit i dels fàrmacs són limitats. Com a conseqüència, la recerca de nous fàrmacs s'inicia amb assajos in vitro. Això fa imprescindible per a la millora dels mètodes de triatge de fàrmacs una millor comprensió dels cultius de macròfags infectats per Leishmania. Objectiu: El propòsit d'aquest treball és parametritzar un model basat en l'individu (IBM) del cultiu in vitro de Leishmania infantum i la línia cel·lular murina RAW 264.7. Aquest procés implica la comparació de resultats experimentals amb les sortides del simulador i és necessari per a ajustar els paràmetres del model de manera que aquest representi amb màxima fidelitat el sistema real. Per una banda, serveix per a incrementar la comprensió del comportament d'aquest cultiu en particular. Per altra banda, el treball proposa una metodologia matemàtica per a la parametrització que pretén ser extensible a altres cultius (diferents soques, línies cel·lulars, espècies i composicions del medi). Mètode experimental: Es descriu el mètode experimental emprat per a obtenir les dades utilitzades per a la parametrització. Es determinen a diferents instants de temps el percentatge de macròfags infectats i el nombre de paràsits per cèl·lula. Parametrització: Es desenvolupa una metodologia matemàtica per a la parametrització i s'aplica a aquest model en particular. Un anàlisi preliminar permet establir en quins rangs de valors dels paràmetres la sortida del simulador s'assembla més a les dades experimentals. El conjunt d'aquests intervals, l'espai de paràmetres, és mostrejat amb la tècnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalment, les combinacions de paràmetres mostrejades són implementades en el model i s'analitza el resultat. Resultats: Per una banda, s'ha desenvolupat una metodologia matemàtica per al procés de parametrització que és extensible a diferents cultius. Per altra banda, s'ha determinat la combinació de paràmetres mostrejats que millor reprodueix els resultats experimentals. Conclusions: El desenvolupament d'una metodologia per parametritzar models basats en l'individu té el potencial d'incrementar la nostra comprensió del sistema i, per tant, portarà a un enfocament més apropiat per a la comprensió i avaluació dels assajos de fàrmacs. Malgrat els bons resultats es constata que es poden realitzar, encara, algunes millores en la metodologia de parametrització.La leishmaniasis es una enfermedad parasitaria provocada por un protozoo transmitido por un vector. Su incidencia la sitúa como la novena enfermedad infecciosa a nivel mundial. La necesidad de desarrollar fármacos nuevos y mejores es imperante. Actualmente, los conocimientos sobre el mecanismo de acción del parásito y los fármacos son aún limitados. Como consecuencia, la investigación de nuevos fármacos empieza con ensayos in vitro. Es necesaria para la mejora de los métodos de elección de fármacos una mejor comprensión de los cultivos de macrófagos infectados por Leishmania. Objetivo: El propósito de este trabajo es parametrizar un modelo basa en el individuo (IBM) del cultivo in vitro de Leishmania infantum y la línea celular murina RAW 264.7. Este proceso implica la comparación de resultados experimentales con las salidas del simulador y es necesario para ajustar los parámetros del modelo de manera que este represente con máxima fidelidad el sistema real. Por un lado, sirve para incrementar la compresión del comportamiento de este cultivo en particular. Por otro lado, el trabajo propone una metodología matemática para la parametrización que pretende ser extensible a otros cultivos (diferentes cepas, líneas celulares, especies y composiciones del medio). Método experimental: Se describe el método experimental utilizado para obtener los datos usados para la parametrización. Se determinan a diferentes instantes de tiempo el porcentaje de macrófagos infectados y el número de parásitos por célula. Parametrización: Se desarrolla una metodología matemática para la parametrización y se aplica a este modelo en particular. Un análisis preliminar permite establecer en qué rangos de los valores de los parámetros la salida del simulador es más parecida a los datos experimentales. El conjunto de estos intervalos, el espacio de parámetros, se muestrea con la técnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalmente, las combinaciones de parámetros muestreados son implementados en el modelo y su resultado es analizado. Resultados: Por un lado, se ha desarrollado una metodología matemática para el proceso de parametrización que es extensible a diferentes cultivos. Por otro lado, se ha determinado la combinación de parámetros muestreados que mejor reproduce los resultados experimentales. Conclusiones: El desarrollo de un IBM tiene el potencial de incrementar nuestra comprensión del sistema y, por tanto, llevará a un enfoque más apropiado para la comprensión y evaluación de los ensayos de fármacos. Sin embargo, el modelo requiere expansión. A pesar de los buenos resultados, se constata que se pueden realizar mejoras en la metodología de parametrización

Analysis and parametrisation of an IBM of a Leishmania infantum in vitro culture

Leishmaniasis is a vector borne protozoan parasitic disease with the ninth highest burden amongst infectious diseases. There is a pressing need for the development of novel, improved drugs for its treatment. Currently, the knowledge of the mechanisms of action of the parasite and the drugs that treat it is still limited. As a consequence, drug research begins with in vitro screening. This makes an increase in the understanding of Leishmania infected macrophage cultures necessary for the improvement of drug screening methods. Aim: The purpose of this work is to parametrise an individual based model (IBM) of a Leishmania infantum and murine cell line RAW 264.7 in vitro culture. This process consists of the comparison of experimental results and the simulation outcome of the IBM. It is a necessary process in order to adjust the parameters of the model so that it gives the closest representation of the real system. On the one hand, this serves to shed light on the behaviour of this particular culture. On the other hand, the work proposes a mathematical methodology for parametrisation that is extensible to other cultures (different strains, cell lines, parasite species and medium composition). Experimental methods: The experimental design used to obtain the experimental data for the parametrisation of the model is described. The percentage of infected macrophages and the number of parasites per cell was determined at several time-points after infection. Parametrisation: The mathematical methodology for parametrisation is described and applied to this particular model. A preliminary analysis of the model was carried out in order to determine, for each parameter, the interval of values where simulation outcome and experimental results were most similar. The combination of these intervals, the parameter space, was then sampled using the Latin Hypercube Sampling (LHS) technique. Finally, the sampled combinations were implemented in the model and the outcome analysed. Results: On the one hand, a mathematical methodology for the parametrisation process was developed, extensible to different cultures. One the other hand, the combination that best reproduces the experimental results was determined. Conclusion: The development of the IBM has the potential to increase our understanding of the system and, therefore, lead to a more accurate approach in understanding and evaluating drug assays. However, the model still requires further expansion. In spite of the satisfactory results, there are still some improvements to be made to the parametrisation methodology.La leishmaniosi és una malaltia parasitària provocada per un protozou transmès per un vector. La seva incidència la situa com la novena malaltia infecciosa a nivell mundial. La necessitat de desenvolupar fàrmacs nous i millors és imperiosa. Actualment, encara, els coneixements sobre el mecanisme d'acció del paràsit i dels fàrmacs són limitats. Com a conseqüència, la recerca de nous fàrmacs s'inicia amb assajos in vitro. Això fa imprescindible per a la millora dels mètodes de triatge de fàrmacs una millor comprensió dels cultius de macròfags infectats per Leishmania. Objectiu: El propòsit d'aquest treball és parametritzar un model basat en l'individu (IBM) del cultiu in vitro de Leishmania infantum i la línia cel·lular murina RAW 264.7. Aquest procés implica la comparació de resultats experimentals amb les sortides del simulador i és necessari per a ajustar els paràmetres del model de manera que aquest representi amb màxima fidelitat el sistema real. Per una banda, serveix per a incrementar la comprensió del comportament d'aquest cultiu en particular. Per altra banda, el treball proposa una metodologia matemàtica per a la parametrització que pretén ser extensible a altres cultius (diferents soques, línies cel·lulars, espècies i composicions del medi). Mètode experimental: Es descriu el mètode experimental emprat per a obtenir les dades utilitzades per a la parametrització. Es determinen a diferents instants de temps el percentatge de macròfags infectats i el nombre de paràsits per cèl·lula. Parametrització: Es desenvolupa una metodologia matemàtica per a la parametrització i s'aplica a aquest model en particular. Un anàlisi preliminar permet establir en quins rangs de valors dels paràmetres la sortida del simulador s'assembla més a les dades experimentals. El conjunt d'aquests intervals, l'espai de paràmetres, és mostrejat amb la tècnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalment, les combinacions de paràmetres mostrejades són implementades en el model i s'analitza el resultat. Resultats: Per una banda, s'ha desenvolupat una metodologia matemàtica per al procés de parametrització que és extensible a diferents cultius. Per altra banda, s'ha determinat la combinació de paràmetres mostrejats que millor reprodueix els resultats experimentals. Conclusions: El desenvolupament d'una metodologia per parametritzar models basats en l'individu té el potencial d'incrementar la nostra comprensió del sistema i, per tant, portarà a un enfocament més apropiat per a la comprensió i avaluació dels assajos de fàrmacs. Malgrat els bons resultats es constata que es poden realitzar, encara, algunes millores en la metodologia de parametrització.La leishmaniasis es una enfermedad parasitaria provocada por un protozoo transmitido por un vector. Su incidencia la sitúa como la novena enfermedad infecciosa a nivel mundial. La necesidad de desarrollar fármacos nuevos y mejores es imperante. Actualmente, los conocimientos sobre el mecanismo de acción del parásito y los fármacos son aún limitados. Como consecuencia, la investigación de nuevos fármacos empieza con ensayos in vitro. Es necesaria para la mejora de los métodos de elección de fármacos una mejor comprensión de los cultivos de macrófagos infectados por Leishmania. Objetivo: El propósito de este trabajo es parametrizar un modelo basa en el individuo (IBM) del cultivo in vitro de Leishmania infantum y la línea celular murina RAW 264.7. Este proceso implica la comparación de resultados experimentales con las salidas del simulador y es necesario para ajustar los parámetros del modelo de manera que este represente con máxima fidelidad el sistema real. Por un lado, sirve para incrementar la compresión del comportamiento de este cultivo en particular. Por otro lado, el trabajo propone una metodología matemática para la parametrización que pretende ser extensible a otros cultivos (diferentes cepas, líneas celulares, especies y composiciones del medio). Método experimental: Se describe el método experimental utilizado para obtener los datos usados para la parametrización. Se determinan a diferentes instantes de tiempo el porcentaje de macrófagos infectados y el número de parásitos por célula. Parametrización: Se desarrolla una metodología matemática para la parametrización y se aplica a este modelo en particular. Un análisis preliminar permite establecer en qué rangos de los valores de los parámetros la salida del simulador es más parecida a los datos experimentales. El conjunto de estos intervalos, el espacio de parámetros, se muestrea con la técnica Latin Hypercube Sampling (LHS). Finalmente, las combinaciones de parámetros muestreados son implementados en el modelo y su resultado es analizado. Resultados: Por un lado, se ha desarrollado una metodología matemática para el proceso de parametrización que es extensible a diferentes cultivos. Por otro lado, se ha determinado la combinación de parámetros muestreados que mejor reproduce los resultados experimentales. Conclusiones: El desarrollo de un IBM tiene el potencial de incrementar nuestra comprensión del sistema y, por tanto, llevará a un enfoque más apropiado para la comprensión y evaluación de los ensayos de fármacos. Sin embargo, el modelo requiere expansión. A pesar de los buenos resultados, se constata que se pueden realizar mejoras en la metodología de parametrización

Comprehensive evaluation of different strategies to recover methanogenic performance in ammonia-stressed reactors

In this study, strategies for recovery of ammonia-stressed AD reactors were attempted, by addition of preserved bioaugmentation consortium in gel (BioG), fresh consortium in liquid medium (BioL), woodchip biochar (BW), and straw biochar (BS). In comparison to control group with ammonia, effective treatments, i.e., BioG, BioL, BW and BS raised the maximum methane production rate by 77%, 23%, 35%, and 24%, respectively. BW possibly acted as interspecies electrical conduits for Direct Electron Transfer based on conductivity and SEM analysis. BioG facilitated slow release of bioaugmentation inocula from gel into the AD system, which protected them from a direct environmental shock. According to microbial analysis, both BioG, BioL and BW resulted in increased relative abundance of Methanothermobacter thermautotrophicus; and BS induced selective raise of Methanosarcina thermophila. The increase of methanogens via these strategies led to the faster recovery of the AD process.publishedVersionPeer reviewe