Isothermal-isobaric molecular dynamics using stochastic velocity rescaling

The authors present a new molecular dynamics algorithm for sampling the isothermal-isobaric ensemble. In this approach the velocities of all particles and volume degrees of freedom are rescaled by a properly chosen random factor. The technical aspects concerning the derivation of the integration scheme and the conservation laws are discussed in detail. The efficiency of the barostat is examined in Lennard-Jones solid and liquid near the triple point and compared with the deterministic Nos\'{e}-Hoover and the stochastic Langevin methods. In particular, the dependence of the sampling efficiency on the choice of the thermostat and barostat relaxation times is systematically analyzed.Comment: Accepted for publication on Journal of Chemical Physic

Charging Induced Emission of Neutral Atoms from NaCl Nanocube Corners

Detachment of neutral cations/anions from solid alkali halides can in principle be provoked by donating/subtracting electrons to the surface of alkali halide crystals, but generally constitutes a very endothermic process. However, the amount of energy required for emission is smaller for atoms located in less favorable positions, such as surface steps and kinks. For a corner ion in an alkali halide cube the binding is the weakest, so it should be easier to remove that atom, once it is neutralized. We carried out first principles density functional calculations and simulations of neutral and charged NaCl nanocubes, to establish the energetics of extraction of neutralized corner ions. Following hole donation (electron removal) we find that detachment of neutral Cl corner atoms will require a limited energy of about 0.8 eV. Conversely, following the donation of an excess electron to the cube, a neutral Na atom is extractable from the corner at the lower cost of about 0.6 eV. Since the cube electron affinity level (close to that a NaCl(100) surface state, which we also determine) is estimated to lie about 1.8 eV below vacuum, the overall energy balance upon donation to the nanocube of a zero energy electron from vacuum will be exothermic. The atomic and electronic structure of the NaCl(100) surface, and of the nanocube Na and Cl corner vacancies are obtained and analyzed as a byproduct.Comment: 16 pages, 2 table, 7 figure

Simultaneous measurement of the muon neutrino charged-current cross section on oxygen and carbon without pions in the final state at T2K

This paper reports the first simultaneous measurement of the double differential muon neutrino charged-current cross section on oxygen and carbon without pions in the final state as a function of the outgoing muon kinematics, made at the ND280 off-axis near detector of the T2K experiment. The ratio of the oxygen and carbon cross sections is also provided to help validate various models\u27 ability to extrapolate between carbon and oxygen nuclear targets, as is required in T2K oscillation analyses. The data are taken using a neutrino beam with an energy spectrum peaked at 0.6 GeV. The extracted measurement is compared with the prediction from different Monte Carlo neutrino-nucleus interaction event generators, showing particular model separation for very forward-going muons. Overall, of the models tested, the result is best described using local Fermi gas descriptions of the nuclear ground state with RPA suppression

Improvement of microstructure and mechanical properties of high dense SiC ceramics manufactured by high-speed hot pressing

Non-oxide ceramics possess high physical-mechanical properties, corrosion and radiation resistance, which can be used as a protective materials for radioactive wastes disposal. The aim of the present study was the manufacturing of high density SiC ceramics with advanced physical and mechanical parameters. The high performance on the properties of produced ceramics was determined by the dense and monolithic structure. The densified silicon carbide samples possessed good mechanical strength, with a high Vickers micro hardness up to 28.5 GPa.Безкисневі керамічні матеріали демонструють високі фізико-механічні властивості, корозійну та радіаційну стійкість, що роблять їх перспективними кандидатами для використання в якості бар'єрних матеріалів для захоронення радіоактивних відходів. Метою цієї роботи було отримання високощільної SiC-кераміки з вдосконаленими фізичними і механічними властивостями. Високі параметри отриманої кераміки визначаються формуванням високощільної і монолітної структури. Кераміка карбіду кремнію має поліпшену механічну міцність і високу твердість по Віккерсу порядка 28,5 ГПa.Бескислородные керамические материалы демонстрируют высокие физико-механические свойства, коррозионную и радиационную стойкость, делающие их перспективными кандидатами для использования в качестве барьерных материалов для захоронения радиоактивных отходов. Целью настоящей работы было получение высокоплотной SiC-керамики с усовершенствованными физическими и механическими свойствами. Высокие параметры полученной керамики определяются формированием высокоплотной и монолитной структуры. Керамика карбида кремния обладает улучшенной механической прочностью и высокой твердостью по Виккерсу порядка 28,5 ГПa

Monte Carlo Methods for Estimating Interfacial Free Energies and Line Tensions

Excess contributions to the free energy due to interfaces occur for many problems encountered in the statistical physics of condensed matter when coexistence between different phases is possible (e.g. wetting phenomena, nucleation, crystal growth, etc.). This article reviews two methods to estimate both interfacial free energies and line tensions by Monte Carlo simulations of simple models, (e.g. the Ising model, a symmetrical binary Lennard-Jones fluid exhibiting a miscibility gap, and a simple Lennard-Jones fluid). One method is based on thermodynamic integration. This method is useful to study flat and inclined interfaces for Ising lattices, allowing also the estimation of line tensions of three-phase contact lines, when the interfaces meet walls (where "surface fields" may act). A generalization to off-lattice systems is described as well. The second method is based on the sampling of the order parameter distribution of the system throughout the two-phase coexistence region of the model. Both the interface free energies of flat interfaces and of (spherical or cylindrical) droplets (or bubbles) can be estimated, including also systems with walls, where sphere-cap shaped wall-attached droplets occur. The curvature-dependence of the interfacial free energy is discussed, and estimates for the line tensions are compared to results from the thermodynamic integration method. Basic limitations of all these methods are critically discussed, and an outlook on other approaches is given

Combined In Silico, In Vivo, and In Vitro Studies Shed Insights into the Acute Inflammatory Response in Middle-Aged Mice

We combined in silico, in vivo, and in vitro studies to gain insights into age-dependent changes in acute inflammation in response to bacterial endotoxin (LPS). Time-course cytokine, chemokine, and NO2-/NO3- data from "middle-aged" (6-8 months old) C57BL/6 mice were used to re-parameterize a mechanistic mathematical model of acute inflammation originally calibrated for "young" (2-3 months old) mice. These studies suggested that macrophages from middle-aged mice are more susceptible to cell death, as well as producing higher levels of pro-inflammatory cytokines, vs. macrophages from young mice. In support of the in silico-derived hypotheses, resident peritoneal cells from endotoxemic middle-aged mice exhibited reduced viability and produced elevated levels of TNF-α, IL-6, IL-10, and KC/CXCL1 as compared to cells from young mice. Our studies demonstrate the utility of a combined in silico, in vivo, and in vitro approach to the study of acute inflammation in shock states, and suggest hypotheses with regard to the changes in the cytokine milieu that accompany aging. © 2013 Namas et al

Влияние гуминовых веществ угля и биокомпозиций с наночастицами серебра на их основе на баланс аргинина в перитонеальных макрофагах интактных мышей

Background. Antigen-presenting cells (APCs), especially macrophages, play an important role in the body defense against various pathogens. Their dysfunction and polarization are associated with most inflammatory and autoimmune diseases. The inflammatory process is regulated by activation and / or inhibition of genes differentially expressed by macrophages. Successful correction of inflammation leads firstly to elimination of inflammatory stimuli and then to remodeling and restoration of tissues and organs. It was experimentally confirmed that silvercontaining bionanocomposites based on natural humic substances (HS) obtained from coal of different origin, as well as initial matrices of these HS, are capable of activating pro- and anti-inflammatory properties of macrophages.Aim. To study cytotoxic, pyrogenic, and immunomodulatory properties (arginine balance) of initial HS samples and samples of silver nanoparticles ultradispersed in these HS matrices (HS-AgNPs) in the cell culture of peritoneal macrophages, as well as their effect on pro- and anti-inflammatory properties of APCs.Materials and methods. Cultural and biochemical methods were used in the study.Results. The study showed that the samples CHE-K, CHE-AgNPs, CHS-K, and CHP-K increased M1 macrophage polarization due to stimulation of the NO-synthase activity and inhibition of arginase. The samples CHI-K, CHIAgNPs, CHP-AgNPs, and CHS-AgNPs modulated an alternative M2 or M2-like state of macrophage activation. At the same time, HS are not cytotoxic at effective concentrations, and three out of four studied samples did not contain pyrogenic impurities.Conclusion. The use of HS and their silver-containing bionanocomposites, which have the ability to greatly affect the polarization of antigen-presenting cells, is a promising research area in correction of the inflammatory response for solving an important social and medical problem of treating chronic wounds. Введение. Антигенпрезентирующие клетки, особенно макрофаги, играют важную роль в защите организма от различных патогенов, их дисфункции, и поляризация связана с большинством воспалительных и аутоиммунных заболеваний. Воспалительный процесс жестко регулируется активацией и (или) ингибированием дифференциально экспрессируемых макрофагами генов. Успешная коррекция воспалительного процесса приводит к устранению воспалительных стимулов и далее ремоделированию и восстановлению тканей и органов. Экспериментально доказано, что биокомпозиции с наночастицами серебра на основе природных гуминовых веществ (ГВ) угля различного генеза, а также исходные матрицы данных ГВ способны активировать про- и противовоспалительные свойства макрофагов.Цель. Исследование в культуре клеток перитонеальных макрофагов цитотоксических, пирогенных и иммуномодулирующих свойств (баланс аргинина) исходных образцов ГВ и образцов наночастиц серебра, ультрадиспергированных в данных матрицах гуминовых веществ (ГВ-AgNPs),а также их влияния на про- и противовоспалительные свойства антигенпрезентирующих клеток. Материалы и методы. Использовались культуральные и биохимические методы.Результаты. Показано, что образцы CHE-K, CHE-AgNPs, CHS-K, CHP-K за счет усиления активности NOсинтазы и ингибиции аргиназы способствуют поляризации перитонеальных макрофагов по классическому типу (М1). Образцы CHI-K, CHI-AgNPs, CHP-AgNPs и CHS-AgNPs модулируют альтернативный М2 или M2-подобный тип (M2-like state) активации макрофагов. При этом ГВ не цитотоксичны в эффективных концентрациях, а также три из четырех исследуемых образцов не содержат пирогенных примесей.Заключение. Применение ГВ и серебросодержащих бионанокомпозиций на основе ГВ, обладающих способностью широко влиять на поляризацию антигенпрезентирующих клеток, является перспективным направлением исследований коррекции воспалительной реакции и, в частности, для решения острой социальной и медицинской проблемы – лечения хронических ран.

Уровень знаний населения по основным вопросам радиационной безопасности

The goal of research was to determine the level of knowledge among the population on issues like sources of ionising radiation, methods of ionising radiation measurement, measures of self-protection in case of threating or actual radioactive pollution in the district, and to study self-estimation by the population of their knowledge of radiation safety issues. Research was carried out using the method of questioning of population groups in three regions close to the places of previous peaceful nuclear explosions (Arkhangelsk, Murmansk and Tyumen regions), and in five Far East regions of the Russian Federation (Kamchatka, Khabarovsk, Primorsky, Magadan and South-Sakhalin regions) after radiation accident in Japan at "Fukushima-1" NPP. This research included processing of 243 questionnaires from the regions close to places of previous peaceful nuclear explosions and 216 questionnaires from the Far East regions.The analysis of obtained questioning results enabled to make the following conclusions: the level of knowledge among the population about the basic concepts of radiation safety appeared to be generally low among respondents of all eight territories. Considerable number of respondents in seven groups correctly mentioned the x-ray device as a source of ionising radiation (from 71 to 88 % of answers). In Murmansk region – only 52 % of the answers. Respondents of the same seven groups often correctly answered the question on how to detect ionising radiation (only with devices) – from 68 to 98 % in different groups. The smallest number of correct answers to this question (42 %) is also noted among respondents from the Murmansk region.Level of knowledge on self-protection measures at threating or actual radioactive pollution of the places of residence appeared a little higher among the Far East region population, who had actual concerns regarding the threat of radioactive pollution at the present time. However, in all eight investigated groups many respondents did not know the right answers on self-protection measures, even the simplest ones – like “to close the windows”, “to search for additional information”, etc. Obtained data analysis enables to recommend organizations responsible for population protection against excessive radiation impact to use all methods of passive and active population informing on their optimum behavior in case of threating or actual radioactive pollution of the district, and to improve their knowledge of radiation safety basic issues. Цель исследований состояла в определении знаний населения, какие приборы и устройства являются источниками ионизирующего излучения, способов обнаружения ионизирующего излучения, мер самозащиты в случае угрозы или реального радиоактивного загрязнения местности, а также в изучении самооценки населением знаний вопросов радиационной безопасности. Исследование проводилось методом анкетирования групп населения в трех районах, близких к местам проведенных ранее мирных ядерных взрывов (Архангельская, Мурманская и Тюменская области), и в пяти субъектах Дальневосточного федерального округа Российской Федерации (Камчатский,Хабаровский, Приморский края, Магаданская и Южно-Сахалинская области) после радиационной аварии в Японии на АЭС «Фукусима-1». В рамках проведенного исследования были получены и обработаны 243 анкеты в районах, близких к местам проведенных ранее мирных ядерных взрывов, и 216 анкет в субъектах Дальневосточного федерального округа Российской Федерации. Было выделено восемь групп респондентов, количество респондентов в каждой группе составляло от 45 до 100 человек.Анализ полученных результатов проведенного анкетирования позволил сделать следующие выводы: уровень знаний населения о базовых понятиях в радиационной безопасности оказался в целом невысоким у респондентов всех восьми территорий. Значительное число респондентов в семи группах правильно выбирали в качестве источника ионизирующих излучений рентгеновский аппарат (от 71 до 88% ответов). В Мурманской области их оказалось всего 52%. Часто правильно отвечали респонденты тех же семи групп и на вопрос, как можно обнаружить ионизирующее излучение (только с помощью приборов) – от 68 до 98% в отдельных группах. Наименьшее количество правильных ответов (42%) на данный вопрос также отмечено у респондентов из Мурманской области.Уровень знаний о мерах самозащиты при угрозе или реальном радиоактивном загрязнении мест проживания оказался несколько выше у жителей Дальневосточного федерального округа, которые пережили реальные опасения по поводу угрозы радиоактивного загрязнения в настоящем времени. Однако практически во всех восьми исследованных группах многие респонденты не знали правильных ответов о мерах самозащиты, даже самых простых – таких как «закрыть окна», «искать дополнительную информацию» и т.п. Анализ полученных данных позволяет рекомендовать организациям, ответственным за радиационную защиту населения, использовать все методы не только пассивного, но и активного информирования населения об оптимальном его поведении в случае угрозы или реального радиоактивного загрязнения местности, а также повышение уровня их знаний по основным вопросам радиационной безопасности

Prognostic and predictive value of TOPK stratified by KRAS and BRAF gene alterations in sporadic, hereditary and metastatic colorectal cancer patients

BACKGROUND: Our aim was to investigate the prognostic and predictive value of the oncogenic MAPKK-like protein T-cell-originated protein kinase (TOPK) stratified by KRAS and BRAF mutations in patients with sporadic, hereditary and metastatic colorectal cancer (CRC) treated with anti-EGFR therapy. METHODS: Immunohistochemistry (IHC) for TOPK was performed on four study groups. Group 1 included two subgroups of 543 and 501 sporadic CRC patients used to test the reliability of TOPK expression by IHC. In Group 2, representing an additional 222 sporadic CRCs, the prognostic effect of TOPK stratified by KRAS and BRAF was assessed. The prognostic effect of TOPK was further analysed in Group 3, representing 71 hereditary Lynch syndrome-associated CRC patients. In Group 4, the predictive and prognostic value of TOPK was analysed on 45 metastatic patients treated with cetuximab or panitumumab stratified by KRAS and BRAF gene status. RESULTS: In both sporadic CRC subgroups (Group 1), associations of diffuse TOPK expression with clinicopathological features were reproducible. Molecular analysis of sporadic CRCs in Group 2 showed that diffuse TOPK expression was associated with KRAS and BRAF mutations (p<0.001) and with poor outcome in patients with either mutation in univariate and multivariate analysis (P=0.017). In hereditary patients (Group 3), diffuse TOPK was linked to advanced pT stage. In metastatic patients treated with anti-EGFR therapy (Group 4), diffuse TOPK expression was linked to dismal outcome despite objective response to treatment (P=0.01). CONCLUSIONS: TOPK expression is an unfavourable prognostic indicator in sporadic patients with KRAS or BRAF mutations and also in patients with metastatic disease experiencing a response to anti-EGFR therapies. The inhibition of TOPK, which could benefit 30-40% of CRC patients, may represent a new avenue of investigation for targeted therapy