Tesis Doctorals en Xarxa
Not a member yet
46997 research outputs found
Sort by
High Resolution Ultrasound Platform for Screening of Infections in Serous Body Fluids: the Infant Meningitis Case
No full textLa meningitis infantil continua sent una greu càrrega per a la salut mundial, sobretot per als lactants petits. La urgència de resoldre aquest problema exigeix solucions alternatives que es puguin aplicar àmpliament. L'avaluació de la concentració de glòbuls blancs (GB) al líquid cefalorraquidi (LCR) és clau per al diagnòstic de la meningitis. Els ultrasons sorgeixen com una tecnologia ideal per a aquesta aplicació, a causa del seu baix cost, portabilitat i seguretat. No obstant això, les tècniques d'ultrasons convencionals tenen una resolució espacial limitada per detectar glòbuls blancs a l'LCR.
Aquesta tesi presenta el procés de recerca i desenvolupament d’un dispositiu portàtil que utilitza ultrasons d’alta resolució per avaluar la concentració de glòbuls blancs en el LCR a través de la fontanel·la de nounats i lactants petits. Aquest nou enfocament pretén proporcionar una alternativa no invasiva als mètodes tradicionals de diagnòstic de la meningitis infantil, oferint una eina de cribratge ràpida i accessible. La plataforma desenvolupada empra un transductor focalitzat de 20 MHz, cosa que millora significativament la resolució espacial i permet la detecció dels senyals de retro dispersió dels glòbuls blancs microscòpics. Tot el sistema s'ha construït al voltant d'una sonda personalitzada que permet controlar mecànicament el transductor per cartografiar la zona d'interès al LCR.
Els components de maquinari i programari s’han integrat amb a la plataforma que, mitjançant l’aplicació de tècniques intel·ligència artificial (IA), és capaç d'obtenir imatges i anàlisis precisos de LCR. L'avaluació in vitro i el procés d'optimització ha estat essencial per aconseguir imatges d'alta qualitat complint les directrius de seguretat. Els experiments realitzats utilitzant un model anatòmic de la secció tubular sota la fontanel·la neonatal, amb suspensions de partícules de 7-μm en diferents concentracions, han proporcionat una informació essencial sobre la dinàmica de les partícules rellevant per al diagnòstic de la meningitis. El sistema desenvolupat permet l'adquisició d'imatges d'alta resolució que proporcionen una claredat i detall excel·lent. A més, l'alta taxa d'adquisició permet rastrejar el patró de partícules resultant a les imatges amb coherència lateral.
El model d'aprenentatge profund (Deep Learning, DL) s’ha implementat a la plataforma i permet classificar els pacients en funció dels patrons de LCR segons les concentracions de WBC. Aquesta eina facilita l’inici ràpid del tractament si se superen els llindars de diagnòstic. Els algorismes integrats al dispositiu, optimitzats per al maquinari específic de la plataforma, garanteixen una ràpida anàlisi in vivo en qüestió de minuts.
Els assajos clínics realitzats a Espanya, el Marroc i Moçambic han donat resultats preliminars prometedors que demostren el potencial de la plataforma per donar suport al diagnòstic de la meningitis. Aquesta tesi estableix una metodologia robusta per a l'anàlisi immediata i precisa del LCR, avançant en el diagnòstic de la meningitis infantil mitjançant una plataforma d'ultrasons d'alta resolució ben optimitzada i rigorosament avaluada.La meningitis infantil sigue siendo una grave problema para la salud mundial, sobre todo para los neonatos y lactantes pequeños. La urgencia de diagnosticar esta enfermedad exige soluciones alternativas que puedan aplicarse ampliamente. La evaluación de la concentración de glóbulos blancos (GB) en el líquido cefalorraquídeo (LCR) es clave para el diagnóstico de la meningitis. Los ultrasonidos surgen como una tecnología ideal para dicha aplicación, debido a su bajo coste, portabilidad y seguridad. Sin embargo, las técnicas de ultrasonidos convencionales tienen una resolución espacial limitada para detectar glóbulos blancos en el LCR.
Esta tesis presenta el proceso de investigación y desarrollo de un dispositivo portátil que utiliza ultrasonidos de alta resolución para evaluar la concentración de glóbulos blancos en el LCR a través de la fontanela de neonatos y lactantes pequeños. Este novedoso enfoque pretende proporcionar una alternativa no invasiva a los métodos tradicionales de diagnóstico de la meningitis infantil, ofreciendo una herramienta de cribado rápida y accesible. La plataforma desarrollada emplea un transductor focalizado de 20 MHz, lo que mejora significativamente la resolución espacial y permite la detección de las señales de retrodispersión de los glóbulos blancos. Todo el sistema se ha construido en torno a una sonda personalizada que permite controlar mecánicamente el transductor para cartografiar la zona de interés en el LCR.
Los componentes de hardware y software se integraron en una plataforma que mediante técnicas de inteligencia artificial (IA) es capaz de obtener imágenes y análisis de LCR precisos. La evaluación in vitro y el proceso de optimización fueron esenciales para lograr imágenes de alta calidad cumpliendo las regulaciones de seguridad. Los experimentos realizados utilizando un modelo anatómico de la sección tubular debajo de la fontanela neonatal, con suspensiones de partículas de 7-μm en diferentes concentraciones, proporcionaron información esencial sobre la dinámica de las partículas relevante para el diagnóstico de la meningitis. El sistema desarrollado permite la adquisición de imágenes de alta resolución que proporcionan una excelente claridad y detalle. Además, la alta tasa de adquisición permite rastrear el patrón de partículas resultante en las imágenes con coherencia lateral.
El modelo de aprendizaje profundo (Deep Learning, DL) se ha integrado en la plataforma y permite clasificar a los pacientes en función de los patrones de LCR según las concentraciones de WBC. Esta herramienta facilita el inicio rápido del tratamiento si se superan los umbrales de diagnóstico. Los algoritmos integrados en el dispositivo, optimizados para el hardware específico de la plataforma, garantizan un rápido análisis in vivo en cuestión de minutos.
Los ensayos clínicos realizados en España, Marruecos y Mozambique han arrojado resultados preliminares prometedores que demuestran el potencial de la plataforma para apoyar el diagnóstico de la meningitis. Esta tesis establece una metodología robusta para el análisis inmediato y preciso del LCR, avanzando en el diagnóstico de la meningitis infantil mediante una plataforma de ultrasonidos de alta resolución bien optimizada y rigurosamente evaluada.Infant meningitis remains a severe burden on global health, particularly for young infants. The urgency to solve this problem demands alternative solutions that can be widely applied. The assessment of white blood cell (WBC) concentration in the cerebrospinal fluid (CSF) is key to the diagnosis of meningitis. Ultrasound emerges as an ideal technology for such application, due to its low cost, portability, and safety. However, conventional ultrasound techniques are limited in spatial resolution to detect WBCs in the CSF.
This thesis presents the research and development process of a portable device that uses high-resolution ultrasound to evaluate WBC concentration in the CSF through the fontanelle of neonates and young infants. This novel approach aims to provide a non-invasive alternative to the traditional diagnostic methods for infant meningitis, offering a rapid and accessible screening tool. The developed platform employs a 20 MHz focused transducer, significantly enhancing spatial resolution and enabling the detection of the
backscatter signals from microscopic WBCs. The whole system was built around a custom probe that allows the transducer to be mechanically controlled to map the area of interest in the CSF.
Hardware and software components were carefully integrated into an artificial intelligence (AI)-powered platform capable of accurate imaging and CSF analysis. In vitro evaluation and optimization process were essential to achieve high-quality images while complying with safety guidelines. Experiments using a tube phantom through neonatal fontanelle with 7-μm particles suspensions under different concentrations provided essential information on particle dynamics relevant to the diagnosis of meningitis. The developed system allows the acquisition of high-resolution images that provide excellent clarity and detail. In addition, the high acquisition rate enables to track the resulting particle pattern in the images with lateral coherence.
An Deep Learning (DL) model was deployed into the platform to classify patients based on CSF patterns according to WBC concentrations. This tool facilitates prompt treatment initiation if diagnostic thresholds are exceeded. Optimized for the platform-specific hardware, the algorithms integrated into the device ensure fast on-site analysis in a matter of minutes.
Clinical trials in Spain, Morocco, and Mozambique have yielded promising preliminary results that demonstrate the potential of the platform to support the diagnosis of meningitis. This thesis establishes a robust methodology for immediate and accurate CSF analysis, advancing the diagnosis of infant meningitis through a well-optimized and rigorously evaluated high resolution ultrasound platform.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Enginyeria Electrònica i de Telecomunicaci
Study of the accommodation during refraction: development of new methodologies for accurate refractions
No full textTesi amb menció de Doctorat Internacional(English) Uncorrected refractive error is the main cause of visual impairment worldwide, with its incidence being even bigger in developing countries, where access to eye care is severely limited, mainly due to a shortage of clinicians. Currently, the gold standard for assessing refraction and prescribing glasses is subjective refraction, which stands out for considering the psychophysical response of the subjects and for incorporating a series of steps to properly control accommodation. However, this procedure requires a trained clinician. Automated systems that do not require trained professionals are a potential solution to the shortage of clinicians. Unfortunately, existing systems and recently developed technologies are still not satisfactory enough to perform at the same level as the gold standard. The two main challenges with these technologies are the poor control of accommodation and that some of them do not consider the subject’s perception.
This thesis aims to study accommodation during refraction procedures and to propose a methodology capable of retrieving refraction without the need for a clinician. The thesis is divided into four studies. The first study centers on the validation of a system capable of monitoring accommodation in real time. Using a custom-developed Hartmann-Shack aberrometer coupled to a phoropter, the system allows tracking the refractive state of the eye every 100 ms. The system was validated by analyzing the through-focus accommodative response. The results of this study show that the system is capable of successfully measuring the refractive state of the eye dynamically and the measurements are comparable to the ones reported in other studies.
The second study explores the accommodative response during the fogging technique. It focuses on the impact of the power and time of application of fogging lenses on accommodation relaxation. Its results show that fogging lenses do provide some relaxation of accommodation, although high variability between participants was found, suggesting that there is no ideal formula that can suit all patients.
The third study analyzes how accommodation and visual acuity behave during subjective refraction. Results show that accommodation is not at its minimum when reaching the subjective refraction value. The findings suggest that new automated technologies should not rely only on achieving the best visual acuity or the minimum accommodation.
The final study explores the use of a machine learning algorithm to predict the spherical equivalent subjective refraction using as input data a through-focus accommodative response, optical quality metrics, and subject perception data. The machine learning models demonstrated promising performance, improving upon previously proposed methods. The study also highlights the need for new refraction systems to account for accommodation control and incorporate subjective feedback for more accurate prescriptions.
In summary, the thesis made significant progress in understanding accommodation during refraction procedures and demonstrates the potential of machine learning for predicting subjective refraction(Català) L'error refractiu no corregit és la principal causa de discapacitat visual a escala mundial, amb una incidència encara més gran als països en desenvolupament, on l'accés a l'atenció ocular és molt limitat, principalment a causa de l'escassetat de professionals. Actualment, el mètode estàndard per avaluar la refracció i prescriure ulleres és la refracció subjectiva, que destaca per considerar la resposta psicofísica dels subjectes i per incorporar una sèrie de passos per controlar adequadament l'acomodació. No obstant això, aquest procediment requereix un professional qualificat. Els sistemes automatitzats que no requereixen professionals formats són una possible solució a la manca de professionals. Malauradament, els sistemes existents i les tecnologies desenvolupades recentment encara no són prou satisfactoris per funcionar al mateix nivell que la refracció subjectiva. Els dos principals reptes d'aquestes tecnologies són el control limitat de l'acomodació i el fet que alguns d'aquests sistemes no consideren la percepció del subjecte.
Aquesta tesi té com a objectiu estudiar l'acomodació durant els procediments de refracció i proposar una metodologia capaç d'obtenir la refracció sense la necessitat d'un professional qualificat. La tesi es divideix en quatre estudis. El primer estudi se centra en la validació d'un sistema capaç de monitorar l'acomodació en temps real. Utilitzant un aberròmetre Hartmann-Shack acoblat a un foròpter, el sistema permet mesurar l'estat refractiu de l'ull cada 100 ms. El sistema s'ha validat analitzant la resposta acomodativa a través del focus. Els resultats d'aquest estudi mostren que el sistema és capaç de mesurar amb èxit l'estat refractiu de l'ull de manera dinàmica i les mesures són comparables a les reportades en altres estudis.
El segon estudi explora la resposta acomodativa durant la tècnica de miopització ("fogging"). Es centra en l'impacte de la potència i el temps d'aplicació de les lents de fogging en la relaxació de l'acomodació. Els resultats mostren que les lents de fogging proporcionen certa relaxació de l'acomodació, tot i que l'altra variabilitat entre els participants suggereix que no hi ha una fórmula ideal que s'adapti a tots els pacients.
El tercer estudi analitza com es comporten l'acomodació i l'agudesa visual durant la refracció subjectiva. Els resultats mostren que l'acomodació no està en el seu mínim en arribar al valor de la refracció subjectiva, i suggereixen que les noves tecnologies automatitzades no haurien de basar-se únicament a assolir la millor agudesa visual o la mínima acomodació.
Finalment, el quart estudi explora l'ús d'un algoritme de machine learning (aprenentatge automàtic) per predir l'equivalent esfèric de la refracció subjectiva utilitzant com a dades d'entrada la resposta acomodativa mesurada durant una corba de desenfocament, mètriques de qualitat òptica i dades de percepció del subjecte. Els models d'aprenentatge automàtic han demostrat un rendiment prometedor, millorant els mètodes proposats anteriorment. L'estudi també destaca la necessitat que els nous sistemes de refracció tinguin en compte el control de l'acomodació i incorporin el feedback dels subjectes per aconseguir prescripcions més precises.
En resum, la tesi ha fet progressos significatius en la comprensió de l'acomodació durant els procediments de refracció i demostra el potencial de l'aprenentatge automàtic per predir la refracció subjectiva.(Español) El error refractivo no corregido es la principal causa de discapacidad visual a nivel mundial, con una incidencia aún mayor en los países en desarrollo, donde el acceso a la atención ocular está severamente limitado, principalmente debido a la escasez de profesionales. Actualmente, el estándar para evaluar la refracción y prescribir gafas es la refracción subjetiva, que destaca por considerar la respuesta psicofísica de los sujetos y por incorporar una serie de pasos para controlar la acomodación. Sin embargo, este procedimiento requiere un profesional formado. Los sistemas automatizados que no requieren profesionales capacitados son una posible solución a la escasez de profesionales. Sin embargo, los sistemas existentes y las tecnologías desarrolladas recientemente aún no son lo suficientemente satisfactorios como para estar al mismo nivel que la metodología estándar. Los dos principales desafíos de estas tecnologías son el deficiente control de la acomodación y que algunos de estos sistemas no consideran la percepción del sujeto.
Esta tesis tiene como objetivo estudiar la acomodación durante los procedimientos de refracción y proponer una metodología capaz de obtener la refracción sin la necesidad de un profesional. La tesis se divide en cuatro estudios. El primer estudio se centra en la validación de un sistema capaz de monitorizar la acomodación en tiempo real. Utilizando un aberrómetro Hartmann-Shack desarrollado a medida acoplado a un foróptero, el sistema permite medir el estado refractivo del ojo cada 100 ms. El sistema se validó analizando la respuesta acomodativa a través del enfoque. Los resultados de este estudio muestran que el sistema es capaz de medir con éxito el estado refractivo del ojo de manera dinámica y las mediciones son comparables a las reportadas en otros estudios.
El segundo estudio explora la respuesta acomodativa durante la técnica de miopización ("fogging"). Se centra en el impacto de la potencia y el tiempo de aplicación de las lentes positivas en la relajación de la acomodación. Sus resultados muestran que las lentes positivas proporcionan cierta relajación de la acomodación, aunque se encontró una alta variabilidad entre los participantes, lo que sugiere que no hay una fórmula ideal que se adapte a todos los pacientes.
El tercer estudio analiza cómo se comportan la acomodación y la agudeza visual durante la refracción subjetiva. Los resultados muestran que la acomodación no está en su mínimo al llegar al valor de la refracción subjetiva. Los hallazgos sugieren que las nuevas tecnologías automatizadas no deberían basarse únicamente en lograr la mejor agudeza visual o la mínima acomodación.
Finalmente, el cuarto estudio explora el uso de un algoritmo de machine learning (aprendizaje automático) para predecir el equivalente esférico de la refracción subjetiva utilizando como datos de entrada la respuesta acomodativa medida en una curva de desenfoque, métricas de calidad óptica y datos de percepción del sujeto. Los modelos de machine learning demostraron un rendimiento prometedor, mejorando los métodos propuestos anteriormente. El estudio también destaca la necesidad de que los nuevos sistemas de refracción tengan en cuenta el control de la acomodación e incorporen la percepción subjetiva para obtener prescripciones más precisas.
En resumen, la tesis ha logrado avances significativos en la comprensión de la acomodación durante los procedimientos de refracción y demuestra el potencial del machine learning para predecir la refracción subjetiva.DOCTORAT EN ENGINYERIA ÒPTICA (Pla 2013
THM numerical modeling of multiphase flow in fractured rock masses using zero-thickness interface elements
No full text(English) To address the impacts of climate change, several measures have been suggested among which utilizing renewable energy sources such as geothermal energy and implementing technologies such as hydrogen storage or CCUS. Some of these solutions imply the injection of fluids into fractured rock masses (e.g. depleted O&G reservoirs) with the subsequent change in local stress conditions. This alteration may lead to the initiation of micro-seismic events by reactivating existing faults or the generation of new fractures, with the risk of ultimately establishing pathways for fluid leakage. Additionally, depleted reservoirs contain multiphase and multicomponent fluids that could react chemically with the new injection fluids. Therefore, the accurate prediction of operation conditions demands advanced geomechanical software capable of evaluating the viability and safety of potential extraction or storage locations.
In this context, the main objective of this thesis is to develop a thermo-hydro-mechanical multiphase model in fractured porous medium with the Finite Element Method using zero-thickness interface elements to model discrete discontinuities. The main assumptions of the model are: the small strain theory, the system composition with two fluid phases (liquid and gas), two species (water and dry gas) and one solid phase. The gas phase follows the ideal gas law and the liquid phase evaporation is considered. The main variables are: displacements, phase pressures and temperature. The formulation takes into account: the equilibrium equation, the mass balance equation of the water species, the mass balance equation of the gas species and the balance of energy. The formulation of the discontinuities considers similar assumptions as the porous medium and takes into account a reduction factor of the water retention curve parameters based on the mechanical opening of the fracture. The model has been implemented and validated with academic verification examples in a FE code.
However, some limitations were observed related to the time integration scheme, the treatment of storage terms of the governing equations and the mass flow. This issues have motivated the following new developments: new mass-conservative approach for diffusion equations using FE formulations, a new physically-based exponential model which considers the pore size or aperture distribution in case of the porous medium or discontinuities, respectively, and a new damage-frictional law which properly models discontinuity closure.(Català) Per mitigar les conseqüències del canvi climàtic s'han proposat diverses mesures, entre les quals es troben l'ús d'energies renovables com la geotèrmia i el desenvolupament de tecnologies com l'emmagatzematge d'hidrogen o CO₂, que requereixen la injecció de fluids dins de massissos rocosos fracturats (com els reservoris abandonats), cosa que suposa un canvi en l'estat tensional d'aquests. Aquesta alteració pot ocasionar el desencadenament d'esdeveniments micro-sísimics mitjançant la reactivació de falles geològiques o la creació de noves fractures que, en última instància, formarien camins preferencials per a la filtració dels fluids. A més, els reservoris abandonats contenen fluids multifase amb més d'una espècie que podrien reaccionar químicament amb els nous fluids injectats. Per tant, la predicció precisa de les condicions d'operació requereix una anàlisi profunda de la problemàtica, així com disposar d'un programari geomecànic avançat capaç d'avaluar la viabilitat i la seguretat dels possibles llocs d'extracció o emmagatzematge.
En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un model termo-hidro-mecànic (THM) acoblat multifase en un medi porós fracturat mitjançant el mètode dels Elements Finits emprant elements junta de gruix nul de doble node per representar les discontinuïtats. Les principals hipòtesis del model són: la teoria de petites deformacions, un sistema compost per dues fases fluides (líquida i gasosa), dues espècies (aigua i gas) i una fase sòlida; la fase gasosa es comporta d'acord amb la llei dels gasos ideals i es considera l'evaporació de la fase líquida. Les variables primàries són: desplaçaments, pressions de fase i temperatura. La formulació contempla: l'equació d'equilibri, l'equació de balanç de massa de l'espècie aigua, l'equació de balanç de massa de l'espècie gas i el balanç d'energia. La formulació de les discontinuïtats considera les mateixes hipòtesis que el medi porós i pren en compte un factor de reducció dels paràmetres de la corba de retenció basat en l'obertura mecànica de la fractura. El model ha estat implementat i validat amb exemples de verificació acadèmics en un codi 3D d'Elements Finits.
No obstant això, durant la fase de validació s'han trobat algunes limitacions del model, relacionades amb l'esquema d'integració temporal, pel que fa al tractament dels termes d'emmagatzematge de les equacions de govern i els fluxos de masa. Aquestes limitacions han motivat els següents nous desenvolupaments: una nova formulació que conserva la massa aplicada a les equacions de difusió en el medi porós i a les discontinuïtats, una nova corba de retenció de tipus exponencial que pren com a punt de partida la porosimetria en el cas del medi porós i la distribució d'obertures a les discontinuïtats, i, finalment, una nova llei constitutiva cohesiva-friccional per a les juntes que permet la modelació del tancament en descàrrega.(Español) Para mitigar las consecuencias del cambio climático se han propuesto diversas medidas, entre las cuales se encuentran el uso de energías renovables como la geotermia y el desarrollo de tecnologías como el almacenamiento de hidrógeno o CO2, que requieren la inyección de fluidos dentro de macizos rocosos fracturados (como los reservorios abandonados), lo cual supone un cambio en el estado tensional del mismo. Dicha alteración puede ocasionar el desencadenamiento de eventos micro-sísmicos mediante la reactivación de fallas geológicas o la creación de nuevas fracturas que en última instancia formarían caminos preferenciales para la filtración de los fluidos. Además, los reservorios abandonados contienen fluidos multifase con más de una especie que podrían reaccionar químicamente con los nuevos fluidos inyectados. Por lo tanto, la predicción precisa de las condiciones de operación requiere un análisis profundo de la problemática, así como disponer un software geomecánico avanzado capaz de evaluar la viabilidad y la seguridad de los posibles lugares de extracción o almacenamiento.
En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un modelo termo-hidro-mecánico (THM) acoplado multifase en un medio poroso fracturado mediante el método de los Elementos Finitos empleando elementos junta de espesor nulo con doble nodo para representar las discontinuidades. Las principales hipótesis del modelo son: la teoría de pequeñas deformaciones, un sistema compuesto por dos fases fluidas (líquida y gaseosa), dos especies (agua y gas seco) y una fase sólida, la fase gaseosa se comporta de acuerdo a la ley de los gases ideales y se considera la evaporación de la fase líquida. Las variables primarias son: desplazamientos, presiones de fase y temperatura. La formulación contempla: la ecuación de equilibrio, la ecuación de balance de masa de la especie agua, la ecuación de balance de masa de la especie gas y el balance de energía. La formulación de las discontinuidades considera las mismas hipótesis que el medio poroso y toma en cuenta un factor de reducción de los parámetros de la curva de retención basado en la apertura mecánica de la fractura. El modelo ha sido implementado y validado con ejemplos de verificación académicos en un código 3D de Elementos Finitos.
Sin embargo, durante la fase de validación se han encontrado algunas limitaciones del al modelo, relacionadas con el esquema de integración temporal, en cuanto al tratamiento de los términos de almacenamiento de las ecuaciones de gobierno y los flujos másicos. Estas limitaciones han motivado los siguientes nuevos desarrollos: una nueva formulación de conservación de la masa aplicada a ecuaciones de difusión en el medio poroso y en las discontinuidades, una nueva curva de retención de tipo exponencial que toma como punto de partida la porosimetría en el caso del medio poroso y la distribución de aperturas en las discontinuidades, y, por último, una nueva ley constitutiva cohesivo-friccional para las juntas que permite la modelación del cierre en descarga.DOCTORAT EN ENGINYERIA DEL TERRENY (Pla 2012
Somatic and germline mutational processes and the evolution of cancer drives genes
No full textCancer develops from healthy cells due to mutations in around 600 cancer driver genes. These mutations, along with neutral ones, are generated from DNA mutational processes, creating distinct patterns known as mutational signatures, which are crucial for understanding cancer's etiology. This doctoral thesis explores two main topics: mutational signatures in somatic and germline cells, and the evolution of cancer driver genes. It introduces SigNet, a neural network algorithm that accurately identifies mutational signatures even in samples with low mutation counts, revealing signatures linked to hypoxia, cancer stages, and genomic regions, with a focus on challenging signatures like SBS3, SBS5, and SBS40, and regions such as close to the transcription start sites of genes. The second focus examines if cancer driver genes evolved to minimize mutations that could lead to early-onset cancer. By reconstructing the most recent common ancestor between humans and chimpanzees and simulating germline evolution, the study suggests differences in the evolutionary paths of cancer driver and non-driver genes, potentially linked to DNA repair signatures.El càncer es desenvolupa a partir de cèl·lules sanes a causa de mutacions en uns 600 gens iniciadors del càncer. Aquestes mutacions, juntament amb les neutres, es generen a partir de processos mutacionals de l’ADN, creant patrons distintius coneguts com a signatures mutacionals, que són crucials per comprendre l'etiologia del càncer. Aquesta tesi doctoral explora dos temes principals: les signatures mutacionals en cèl·lules somàtiques i germinals, i l'evolució dels gens iniciadors del càncer. S'introdueix SigNet, un algorisme basat en xarxes neuronals que identifica amb precisió les signatures mutacionals fins i tot en mostres amb poques mutacions, revelant signatures vinculades a la hipòxia, les etapes del càncer i les regions genòmiques, especialment respecte signatures com SBS3, SBS5 i SBS40, i regions a prop dels llocs d’inici de la transcripció dels gens. El segon punt examina si els gens iniciadors del càncer han evolucionat per minimitzar les mutacions que podrien desenvolupar un càncer. Reconstruint l’ancestre comú més recent entre humans i ximpanzés i simulant l’evolució de la línia germinal, l'estudi suggereix diferències en les trajectòries evolutives dels gens iniciadors i no iniciadors del càncer, potencialment vinculades a les signatures de reparació de l’ADN.Programa de Doctorat en Biomedicin
Tailoring Insect Proteins for Emulsification: Modification Approaches and Applications
No full textLa creixent demanda global d'aliments està impulsant la investigació sobre noves fonts de proteïnes, com ara els insectes, una alternativa a les proteïnes animals convencionals, degut al seu alt valor nutricional i baix impacte ambiental. A més, es coneix el potencial de les proteïnes d'insectes com a emulsionants en sistemes d'encapsulació basats en emulsions.
Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament de procediments per fer modificacions per a millorar i diversificar la tecnofuncionalitat de les proteïnes d'insectes, fonamentalment en l'augment de la capacitat de mantenir l'estabilitat física i oxidativa de les emulsions d'oli en aigua (O/W). Aquests mètodes inclouen la conjugació amb polifenoles, el tractament tèrmic i la hidròlisi enzimàtica amb o sense pretractament físic.
La conjugació de les proteïnes extretes de larves de l'escarabat búfal (Alphitobius diaperinus, LMPC) amb polifenols (àcid tànnic i àcid clorogènic) va millorar les propietats antioxidants, i va reduir l'oxidació dels lípids a les emulsions.
Mitjançant la utilització de proteïnes d'insectes, tractades o no tèrmicament, es van estabilitzar emulsions altament concentrades. El tractament tèrmic va afectar la capacitat de les proteïnes per estabilitzar les emulsions (e.g., menor pèrdua d'oli durant l'emmagatzematge, però més desestabilització durant cicles de congelació-descongelació). Aquestes emulsions van exhibir característiques reològiques adequades per a la seva utilització com a tinta comestible en impressió 3D.
La hidròlisi enzimàtica de LMPC va augmentar significativament el rendiment d'extracció de proteïnes. Les propietats emulsionants i antioxidants van variar segons l'enzim utilitzat i les condicions d'hidròlisi. L'ultrasò com a pretractament va reduir la mida de les gotes de les emulsions U/W, encara que els hidrolitzats van ser menys efectius que el caseïnat de sodi en la reducció de l'oxidació de lípids.
En conclusió, es van obtenir emulsionants amb una àmplia gamma de funcionalitats, augmentant el potencial de les proteïnes d'insectes per a aplicacions alimentàries.La creciente demanda global de alimentos está impulsando la investigación sobre nuevas fuentes de proteïnes, como los insectos, una alternativa a las proteínas animales convencionales, dado su alto valor nutricional y bajo impacto ambiental. Además, se conoce el potencial de las proteínas de insectos como emulsionantes en sistemas de encapsulación basados en emulsiones.
Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de procedimientos para la realización de modificaciones para mejorar y diversificar la tecnofuncionalidad de las proteínas de insectos, fundamentalmente en el aumento de la capacidad de mantener la estabilidad física y oxidativa de las emulsiones de aceite en agua (O/W). Estos métodos incluyen la conjugación con polifenoles, el tratamiento térmico y la hidrólisis enzimática con o sin un pretratamiento físico.
La conjugación de las proteínas extraídas de larvas del escarabajo búfalo (Alphitobius diaperinus, LMPC) con polifenoles (ácido tánico y ácido clorogénico) mejoró sus propiedades antioxidantes, y redujo la oxidación de los lípidos en las emulsiones.
Además, mediante el empleo de proteínas de insectos, tratadas o no térmicamente, se estabilizaron emulsiones altamente concentradas. El tratamiento térmico afectó a la capacidad de las proteínas para estabilizar las emulsiones (e.g., menor pérdida de aceite durante el almacenamiento, pero mayor desestabilización durante ciclos de congelación-descongelación). Estas emulsiones exhibieron características reológicas adecuadas para su utilización como tinta comestible en impresión 3D.
La hidrólisis enzimática de LMPC aumentó significativamente el rendimiento de extracción de proteínas. Las propiedades emulsionantes y antioxidantes variaron según la enzima utilizada y las condiciones de hidrólisis. El ultrasonido como pretratamiento redujo el tamaño de las gotas de las emulsiones O/W, aunque los hidrolizados fueron menos efectivos que el caseinato de sodio en la reducción de la oxidación de lípidos.
En conclusión, se obtuvieron emulsionantes con una amplia gama de funcionalidades, aumentando el potencial de las proteínas de insectos para aplicaciones alimentarias.The increasing global food demand are driving the need to find novel protein sources. Among others, insect proteins are emerging as a promising alternative to conventional animal proteins due to their high nutritional value and low environmental impact. Insect proteins have shown potential as emulsifiers in emulsion-based encapsulation systems.
This doctoral thesis aims to explore modification approaches to further enhance and diversify the technofunctionality of insect proteins, focusing on improving the ability to maintain the physical and oxidative stability of oil-in-water (O/W) emulsions. The approaches investigated include the conjugation with polyphenols, thermal treatment, enzymatic hydrolysis coupled or not with physical pretreatment.
Conjugating proteins extracted from lesser mealworm (Alphitobius diaperinus, LMPC) larvae with polyphenols (tannic acid and chlorogenic acid) significantly improved their antioxidant properties leading to a significant reduction in lipid oxidation when used to stabilize O/W emulsion.
High internal phase emulsions were stabilized with untreated and thermally treated insect proteins. Thermal treatment affected the proteins’ ability to stabilize emulsions (e.g., lower oil loss during storage but higher destabilization during freeze-thaw cycles). The emulsions produced exhibited suitable rheological characteristics to be used as edible food ink in 3D printing.
Finally, enzymatic hydrolysis of LMPC significantly increased the protein extraction yield. Emulsifying and antioxidant properties varied depending on the enzyme used and hydrolysis conditions. Physical pretreatment, such as ultrasound, before hydrolysis led to a reduction in droplet size of O/W emulsions. However, insect protein hydrolysates were less effective in reducing lipid oxidation compared to sodium caseinate.
Emulsifiers with a wider range of functionality were obtained using the different strategies, broadening the potential of insect proteins as emulsifier for food applications
Harnessing public neoantigens to develop TCR gene-engineered T-cell therapies
No full textEls tumors acumulen mutacions que poden generar neoantigens privats, quan s’originen d’alteracions úniques del pacient; o compartits, a l’originar-se de mutacions recurrents en punts calents de gens impulsors del càncer, les quals se succeeixen en múltiples pacients. Quan els pèptids derivats de neoantigens compartits es presenten en al·lels d’HLA prevalents, es consideren neoantigens públics, els quals representen dianes terapèutiques ideals per les immunoteràpies contra el càncer per diverses raons. Primer, són específics del tumor, vitals per al manteniment del fenotip maligne i tenen una alta probabilitat de ser clonals o expressats per la majoria de cèl·lules canceroses. Segon, gràcies a la seva alta recurrència, ofereixen la possibilitat de desenvolupar teràpies basades en cèl·lules T modificades genèticament amb receptors de cèl·lules T (TCR) específics, ampliant l’aplicabilitat de la teràpia adoptiva amb cèl·lules T a múltiples pacients. Malgrat la identificació de centenars de mutacions recurrents, tan sols una petita fracció de neoantigens públics immunogènics i TCR reactius han sigut identificats.
En aquesta tesi, hem seguit una aproximació d’immunopeptidòmica basada en espectrometria de masses (IP-MS) per descobrir pèptids derivats de neoantigens compartits presentats en al·lels d’HLA-I prevalents. Posteriorment, vam detectar i caracteritzar TCRs específics per a aquests pèptids, els quals podrien ser utilitzats per desenvolupar noves teràpies basades en cèl·lules T dirigides contra neoantigens públics.
Primerament, vam dissenyar una plataforma cel·lular basada en cèl·lules HLA-I monoal·lèliques per identificar neoantigens públics derivats de 35 mutacions recurrents en 13 gens impulsors del càncer i 12 al·lels d’HLA-I altament prevalents en la població caucàsica. Amb aquest objectiu, vam generar quatre constructes (HSTMG) codificant per les mutacions recurrents seleccionades i 12 B2M_HLA-I quimeres per als al·lels prioritzats. Seguidament, vam generar una línia cel·lular nul·la pel gen B2M mitjançant CRISPR/Cas9 per a l’obtenció de cèl·lules B2M KO sense expressió d’HLA-I en la superfície cel·lular. Les cèl·lules tumorals B2M KO van ser co-electroporades amb ARN derivat d’una quimera B2M_HLA-I i un dels quatre HSTMGs per a generar cèl·lules HLA-I monoal·lèliques amb expressió de les mutacions recurrents d’interès. Posteriorment, vam realitzar IP-MS en cèl·lules que expressaven un total de 37 combinacions HSTMG-B2M_HLA-I per tal d’identificar pèptids processats i presentats de forma natural en HLA-I. Finalment, els neoantigens detectats van ser validats usant espectrometria de monitoratge de reacció paral·lela (PRM-MS). Mitjançant aquesta plataforma vam validar 49 parelles de pèptid-HLA-I derivats de 23 neoantigens compartits presentats en 10 al·lels d’HLA-I. A més, el nostre mètode basat en cèl·lules HLA-I monoal·lèliques va capturar 19 dels 29 neoantigens públics reportats prèviament i 33 noves parelles de neoepítops-HLA-I.
Per determinar si algun dels neoantigens públics candidats podien ser reconeguts per limfòcits T, vam dur a terme experiments de sensibilització in vitro amb limfòcits de sang perifèrica d’una pacient amb càncer de mama. Aquesta estratègia va generar dues reactivitats específiques de cèl·lules T restringides a HLA-A*11:01 per PIK3CAp.E545K i TP53p.R248Q, així com una resposta restringida a HLA-C*04:01 per PIK3CAp.R88Q. En seqüenciar els TCRS d’aquestes cèl·lules T reactives, vam identificar tres TCRs reactius, cadascun d’ells específic per un dels tres neoantigens públics mencionats. Notablement, els tres TCRs reactius van demostrar un reconeixement preferencial de les seves dianes en el context de processament i presentació per cèl·lules tumorals in vitro, indicant un gran potencial per al desenvolupament de teràpies basades en cèl·lules T.
En resum, el nostre mètode basat en IP-MS de cèl·lules HLA-I monoal·lèliques, va permetre identificar una gran varietat de neoantigens públics candidats. Aquestes identificacions amplien el número de dianes terapèutiques disponibles per a la immunoteràpia del càncer. A més, la identificació dels TCRs específics per a neoantigens públics obre la possibilitat de generar noves teràpies basades en cèl·lules T aplicables a múltiples pacients amb càncer.Los tumores acumulan mutaciones que pueden generar neoantigenos privados, cuando se originan de alteraciones únicas del paciente; o compartidos, al originarse de mutaciones recurrentes en puntos calientes de genes impulsores del cáncer, las cuales se suceden en múltiples pacientes. Cuando los péptidos derivados de neoantigenos compartidos se presentan en alelos de HLA prevalentes, se consideran neoantigenos públicos, los cuales representan dianas terapéuticas ideales para las inmunoterapias contra el cáncer por varias razones. Primero son específicos del tumor, vitales para mantener el fenotipo maligno y tienen una alta probabilidad de ser clonales o expresados por la mayoría de las células cancerosas. Segundo, debido a su alta recurrencia, ofrecen la posibilidad de desarrollar terapias basadas en células T modificadas genéticamente con receptores de células T (TCR) específicos, ampliando la aplicabilidad de la terapia adoptiva con células T a múltiples pacientes. Sin embargo, a pesar de la identificación de cientos de mutaciones recurrentes, solo una pequeña fracción de neoantigenos públicos inmunogénicos y TCRs reactivos han sido identificados.
En esta tesis, seguimos una aproximación de inmunopeptidomica basada en espectrometría de masas (IP-MS) para descubrir péptidos derivados de neoantigenos compartidos presentados en alelos HLA-I prevalentes. Posteriormente, detectamos y caracterizamos TCRs específicos para estos péptidos, los cuales podrían ser utilizados para desarrollar nuevas terapias basadas en células T dirigidas contra neoantigenos públicos.
Primeramente, desarrollamos una plataforma celular basada en células HLA-I monoalelicas para identificar neoantigenos públicos derivados de 35 mutaciones recurrentes en 13 genes impulsores del cáncer y 12 alelos HLA-I altamente prevalentes en la población caucásica. Para ello, diseñamos cuatro constructos (HSTMG) codificantes para las mutaciones recurrentes seleccionadas y 12 B2M_HLA-I quimeras para los alelos priorizados. Seguidamente, generamos una línea celular nula para el gen B2M mediante CRISPR/Cas9, obteniendo células B2M KO sin expresión de HLA-I en la superficie celular. Las células tumorales B2M KO fueron co-electroporadas con ARN derivado de una quimera B2M_HLA-I y uno de los cuatro HSTMGs para generar células HLA-I monoalelicas con expresión de las mutaciones recurrentes de interés. Posteriormente, realizamos IP-MS en células que expresaban un total de 37 combinaciones HSTMG-B2M_HLA-I para identificar péptidos procesados y presentados de forma natural en HLA-I. Finalmente, los neoantigenos detectados fueron validados mediante espectrometría de monitoreo de reacción paralela (PRM-MS). A través de esta plataforma validamos 49 parejas de péptido-HLA-I derivadas de 23 neoantigenos compartidos presentados en 10 alelos HLA-I. Además, nuestro método basado en células HLA-I monoalelicas capturó 19 de los 29 neoantigenos públicos reportados previamente y 33 nuevas parejas de neoepítopos-HLA-I.
Para determinar si algunos de los neoantigenos públicos candidatos eran reconocidos por linfocitos T, realizamos experimentos de sensibilización in vitro con linfocitos de sangre periférica de una paciente con cáncer de mama. Esta estrategia generó dos reactividades específicas de células T restringidas por HLA-A*11:01 para PIK3CAp.E545K y TP53p.R248Q, así como una respuesta restringida por HLA-C*04:01 para PIK3CAp.R88Q. Al secuenciar los TCRs de estas células T reactivas, identificamos tres TCRs reactivos, cada uno de ellos específico para uno de los tres neoantigenos públicos mencionados. Remarcablemente, los tres TCRs reactivos demostraron un reconocimiento preferencial de sus dianas en el contexto de procesamiento y presentación por células tumorales in vitro, indicando un gran potencial para el desarrollo de terapias basadas en células T.
En resumen, a través de nuestro método basado en IP-MS de células HLA-I monoalelicas, identificamos una amplia variedad de neoantigenos públicos candidatos. Estos hallazgos amplían el número de dianas terapéuticas disponibles para la inmunoterapia del cáncer. Además, los TCRs descubiertos específicos para neoantigenos públicos abren la posibilidad de generar nuevas terapias basadas en células T aplicables a múltiples pacientes con cáncer.Tumors accumulate genetic alterations, some of which may generate “non-self” epitopes recognized by T cells, known as neoantigens. These antigens can arise from private mutations unique to each individual or from shared mutations in hotspot regions of driver genes that occur in multiple cancer patients. When prevalent HLA alleles present epitopes from shared neoantigens, they become public neoantigens. These are ideal targets for cancer immunotherapies for multiple reasons. First, they are exquisitely tumor-specific, vital for sustaining the malignant phenotype, and have a higher likelihood of being clonal or expressed by most cancer cells. Second, due to their high conservation, they offer the possibility of developing off-the-shelf TCR T-cell-based therapies, broadening the applicability of adoptive T-cell therapy to multiple patients. However, despite the identification of hundreds of cancer driver mutations, only a small fraction of immunogenic public neoantigens and reactive TCRs have been identified.
In this thesis, we used a mass spectrometry-based (MS-based) HLA-I immunopeptidomics approach to discover hotspot-derived mutant peptides presented on highly prevalent HLA-I alleles. In addition, we aimed to detect and characterize T-cell receptors (TCRs) targeting these peptides, which could be used to develop novel off-the-shelf TCR-based T-cell therapies targeting public neoantigens.
We developed an HLA-I monoallelic cell platform to identify public neoantigens arising from 35 recurrent mutations across 13 cancer driver genes and 12 highly prevalent HLA-I alleles in the Caucasian population. We first constructed four hotspot tandem minigene (HSTMG) constructs encoding these mutations and B2M_HLA chimeras encompassing the prioritized alleles. Next, we generated a B2M null tumor cell line using CRISPR/Cas9, lacking cell surface HLA-I expression. B2M KO tumor cells were then co-electroporated with in vitro transcribed RNA encoding one B2M_HLA chimera and one of the four HSTMGs to generate HLA-I monoallelic cells expressing recurrent mutations. Last, shotgun MS-based immunopeptidomics was performed on cells expressing a total of 37 HSTMG-B2M_HLA combinations to identify naturally processed and presented HLA-I peptides, which were then validated using parallel reaction monitoring mass spectrometry. Using this strategy, we detected 49 mutant peptide-HLA pairs derived from 23 shared cancer neoantigens presented across 10 HLA-I alleles. Moreover, our method, based on transient HLA-I monoallelic cells, captured 19 previously reported epitopes and, more importantly, 33 novel candidate public neoantigen-HLA pairs.
To determine whether some of the putative public neoantigens could be recognized by T cells, we carried out in vitro sensitization experiments using peripheral blood lymphocytes from a breast cancer patient. This strategy raised two HLA-A*11:01-restricted T-cell reactivities specific for PIK3CAp.E545K and TP53p.R248Q, as well as an HLA-C*04:01-restricted response targeting PIK3CAp.R88Q. By sequencing the TCRs of these reactive T cells, we identified three neoantigen-specific TCRs, each displaying specific recognition of the neoantigen compared to the wild-type counterpart. Interestingly, the three reactive TCRs recognized their target when processed and presented by tumor cells in vitro, underscoring their potential to develop off-the-shelf T-cell therapies.
In summary, we identified a diverse array of candidate public neoantigens through comprehensive MS-based immunopeptidomics screening of HLA-I monoallelic cells. These findings expand the number of shared actionable targets for cancer immunotherapy. Furthermore, the discovered TCRs reactive to public neoantigens pave the way for T-cell-based therapies applicable to multiple cancer patients.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Immunologia Avançad
Urban heat islands and nature-based solutions: insights into health impacts and urban planning determinants
No full textThe current and projected rapid urbanization rates underscore the critical role of cities and the urgent need to prioritize the development of healthy and sustainable urban environments. Rising temperatures, intensified by the urban heat island (UHI) effect, pose a significant health threat, particularly in European cities where they have been linked to a notable rise in mortality. This thesis investigates the health impacts of UHIs and examines the effectiveness of Nature-based Solutions (NbS) in mitigating these effects across European cities. It also explores which urban configurations types are most associated with UHI intensity, CO2 emissions, and health. The findings indicate that UHIs significantly contribute to mortality in European cities, and that increasing the urban tree cover density (TC) can mitigate some of these effects by cooling the urban environment. The evaluation of Barcelona’s “Green Corridors” plan as a case study revealed significant health benefits from increased green exposure, underscoring the multifaceted advantages of NbS and contributing to the debate on optimal heat mitigation strategies. Moreover, this thesis found that while present-compact cities have poorer environmental and health outcomes, they are more efficient in terms of CO2 emissions compared to their greener, less dense counterparts. To counteract these negative impacts, potential strategies include integrating NbS strategically, diversifying local destinations, promoting active transport, and redesigning urban areas to encourage walking and cycling while reducing motorized traffic. These measures should be customized to the specific contexts of each city, with a focus on collaboration among various stakeholders to effectively tackle challenges and promote healthier, more sustainable urban development.Las actuales y proyectadas tasas de urbanización destacan el papel crucial de las ciudades y la urgente necesidad de priorizar el desarrollo de entornos urbanos saludables y sostenibles. El incremento de temperaturas, agravado por el efecto de isla de calor urbano (ICU), es reconocido como una amenaza significativa para la salud, especialmente en ciudades europeas donde se asocia con un aumento significativo en las tasas de mortalidad. Esta tesis tuvo como objetivo investigar los impactos en la salud de las ICUs y evaluar la eficacia de las Soluciones Basadas en la Naturaleza (SbN) para mitigar estos efectos en las ciudades Europeas. También buscó identificar qué tipos de configuraciones urbanas están más asociadas con la intensidad de las ICUs, las emisiones de CO2 y la salud. Los resultados de la investigación indican que las ICUs contribuyen significativamente a la mortalidad en las ciudades Europeas, y que aumentar la cobertura arbórea urbana puede mitigar algunos de estos efectos al enfriar el entorno urbano. La evaluación del plan "Ejes Verdes" de Barcelona, como estudio de caso reveló beneficios significativos para la salud asociados con la exposición a áreas verdes, resaltando los múltiples beneficios de las SbN y contribuyendo al debate sobre las mejores estrategias de mitigación del calor. Además, se observó que las ciudades compactas actuales tienen peores resultados en términos de exposiciones ambientales y salud, aunque tienen un mejor desempeño en emisiones de CO2 en comparación con sus contrapartes más verdes y de menor densidad. Las estrategias potenciales para contrarrestar estos impactos adversos incluyen la integración estratégica de NbS, la diversificación de destinos locales, la promoción del transporte activo y cambios en el diseño urbano para incrcementar áreas peatonales y ciclistas, y otras medidas para reducir el tráfico motorizado. Estas medidas deben adaptarse al contexto específico de cada ciudad, enfatizando la colaboración entre diversos actores para abordar efectivamente los desafíos y fomentar un desarrollo urbano más saludable y sostenible.Programa de Doctorat en Biomedicin
El impacto del género en la comunicación política colombiana: un análisis del uso de Twitter/X (2019-2022)
No full textAquest estudi se centra en les possibles disparitats dels nivells d'activitat i les mètriques de compromís a Twitter entre homes i dones polítics a Colòmbia. L'anàlisi inclou tant períodes electorals com no electorals, avaluant la freqüència diària de tweets, l'adquisició de nous seguidors, la influència a la plataforma i l'eficàcia de les estratègies de missatgeria. A través d'aquest enfocament, es pretén identificar si hi ha diferències significatives en l'amplificació i la visibilitat dels missatges d'homes i dones, i com aquestes diferències poden afectar-ne l'impacte i el reconeixement a l'esfera pública.
L'objectiu final d'aquesta investigació és determinar si, almenys en el cas colombià, Twitter empodera de manera equitativa tots els polítics o, per contra, persisteixen barreres de gènere que limiten l'efectivitat i l'abast de les polítiques colombianes en la comunicació digital.El presente estudio se centra en las posibles disparidades en los niveles de actividad y las métricas de compromiso en Twitter entre hombres y mujeres políticos en Colombia. El análisis abarca tanto periodos electorales como no electorales, evaluando la frecuencia diaria de tweets, la adquisición de nuevos seguidores, la influencia en la plataforma y la eficacia de las estrategias de mensajería. A través de este enfoque, se pretende identificar si existen diferencias significativas en la amplificación y visibilidad de los mensajes de hombres y mujeres, y cómo estas diferencias pueden afectar su impacto y reconocimiento en la esfera pública.
El objetivo final de esta investigación es determinar si, al menos en el caso colombiano, Twitter empodera de manera equitativa a todos los políticos o, por el contrario, persisten barreras de género que limitan la efectividad y el alcance de las políticas colombianas en su comunicación digital.The present study focuses on potential disparities in activity levels and engagement metrics on Twitter between male and female politicians in Colombia. The analysis covers both electoral and non-electoral periods, evaluating the daily frequency of tweets, acquisition of new followers, influence on the platform, and the effectiveness of messaging strategies. Through this approach, we aim to identify whether there are significant differences in the amplification and visibility of messages from men and women, and how these differences may affect their impact and recognition in the public sphere. The ultimate goal of this research is to determine whether, at least in the Colombian case, Twitter empowers all politicians equally or if gender barriers persist that limit the effectiveness and reach of Colombian politicians in their digital communication.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Mitjans, Comunicació i Cultur
Electro bioremediation of nitrate contaminated groundwater: from laboratory to on site pilot plant
No full textWater stands out as the most essential resource currently under serious threat. The combination of water scarcity and increasing pollution of available water poses significant challenges to governance and society. Typically, this problem is exacerbated in rural areas due to limited access to water management services. In these regions, modern agricultural and intensive livestock production practices contribute significantly to nitrate pollution of water bodies. In such scenarios, there is a pressing need for the development of sustainable decentralised treatment solutions.
This Ph.D. thesis focuses on electro-bioremediation, which harnesses the ability of certain microorganisms to exchange electrons with a solid material. Specifically, nitrate removal is based on its reduction to dinitrogen gas using a cathode as an electron donor. This innovative process eliminates the need to introduce chemicals as reducing agents into the water, which is common in conventional treatments, and at the same time prevents the generation of any residue. This is the main advantage of the treatment, which requires minimal energy to achieve nitrate removal. This thesis describes the development of electro-bioremediation from laboratory experiments to constructing an on-site pilot plant. It was started with laboratory experiments to understand nitrate reduction in this system in order to optimise the process. In addition, the full potential of this technology to address other contaminants, such as arsenic and pathogens, was explored. Finally, the technology was validated through real treatment at an on-site pilot plant. The overall results demonstrate the economic competitiveness of this treatment and encourage further research in this areaL'aigua destaca com el recurs més essencial, tot i que actualment es troba sota una amenaça seriosa. La combinació de l'escassetat d'aigua i l'increment de la contaminació de l'aigua disponible planteja reptes significatius per a l’administració i la societat. Normalment, aquest problema s'agreuja a les àrees rurals a causa de l'accés limitat als serveis de gestió de l'aigua. En aquestes regions, les pràctiques agrícoles modernes i la ramaderia intensiva contribueixen de manera significativa a la contaminació de l’aigua per nitrats. En aquests escenaris, hi ha una necessitat urgent de desenvolupar solucions sostenibles de tractament descentralitzat.
Aquesta tesi de doctorat se centra en l'electro-biorremediació, que aprofita la capacitat de certs microorganismes per intercanviar electrons amb un material sòlid. Específicament, l'eliminació de nitrats es basa en la seva reducció a gas dinitrogen utilitzant un càtode com a donador d'electrons. Aquest procés innovador elimina la necessitat d'introduir productes químics com a agents reductors a l'aigua, una pràctica comuna en els tractaments convencionals, i al mateix temps evita la generació de qualsevol residu. Aquest és el principal avantatge del tractament, que requereix una quantitat mínima d'energia per aconseguir l’eliminació de nitrats. Aquesta tesi descriu el desenvolupament de l'electro-biorremediació des d'experiments al laboratori fins a la construcció d'una planta pilot on-site. Es va començar amb experiments de laboratori per entendre la reducció de nitrats en aquests sistemes per tal d'optimitzar el procés. A més, l'estudi explora la plena explotació d'aquesta tecnologia per abordar altres contaminants, com ara l’arsènic i els patògens. Finalment, la tecnologia es va validar mitjançant un tractament real en una planta pilot on-site. Els resultats globals demostren la competitivitat econòmica d'aquest tractament i encoratgen per continuar la recerca en aquesta àreaPrograma de Doctorat en Ciència i Tecnologia de l'Aigu
Improving the performance of synthetic and biomimetic 3D-printed bone grafts
No full textTesi amb menció de Doctorat Internacional(English) Bone is the second most frequent tissue transplantation right after blood transfusion. Although it has natural self-healing abilities, bone grafts are required in critical size defects to provide mechanical support, besides stimulating and guiding new bone formation. A wide range of innovative synthetic materials have been developed for bone tissue regeneration. Among them, calcium phosphate (CaP) cements have gained particular relevance because they are able to self-harden at body temperature through a cementitious reaction and result in biomimetic calcium deficient hydroxyapatite (CDHA), with a composition and microstructure very similar to the inorganic phase of bone. This material is biocompatible and bioactive and it is resorbed progressively during the bone remodelling cycle. Moreover, it is possible to obtain CDHA bone grafts through the 3D printing technology Direct Ink Writing (DIW), by microextrusion of a CaP paste that is able to self-harden after immersion in distilled water at 37 ºC. This allows the creation of personalised bone grafts that perfectly fit the defects of the patients and, at the same time, have precisely controlled internal porosity, an essential factor in inducing new bone ingrowth.
The main goal of this PhD thesis is to improve the mechanical properties of 3D-printed biomimetic CDHA bone grafts obtained by DIW at low temperatures while keeping their excellent biological properties. Moreover, the thesis also addresses the challenge of developing biomorphic CDHA structures with triply periodic minimal surfaces (TPMS) by DIW.
The thesis is divided into three parts: i) the definition of a methodology for assessing the DIW printability of ceramic pastes; ii) the development of a novel calcium phosphate ink for DIW, using a polycaprolactone (PCL) solution binder, to improve the mechanical properties; and iii) design and 3D printing of biomorphic grafts to enhance the biological response.
Chapter 1 presents the main types of ceramic inks for DIW and a detailed description of the more relevant rheological tests for assessing their DIW printability. Moreover, the key rheological parameters are identified and linked to printability aspects. Chapter 2 details the development of a PCL\α-tricalcium phosphate (α-TCP) ink. The presence of PCL did not hinder the hardening reaction and improved the mechanical properties of the 3D-printed bone grafts, especially in terms of toughness. On the other hand, the absence of water in the binder enhanced the stability of the ink and the freshly printed bone grafts, allowing their storage for long periods of time. Chapter 3 characterizes the hardening reaction of the PCL\α-TCP ink, focussing on the evolution of the mechanical and physicochemical properties, as well as the in vitro cell response. The microstructure evolved from a continuous polymeric phase with loose α-TCP particles to a continuous entangled network of CDHA nanocrystals intertwined with the polymer. This resulted in the evolution of the mechanical behaviour from ductile, dominated by the polymer, to stiffer as the ceramic phase reacted. Moreover, the PCL binder provided excellent handleability and elasticity for the as-printed bone grafts. The low PCL content, together with the proven possibility of eliminating the solvent, preserved the favourable in vitro response typical of CDHA. Chapter 4 explores the effect of three different sterilization methods (ethylene oxide gasification, gamma-irradiation and autoclave) on the properties and in vitro degradation of 3D-printed PCL\CDHA bone grafts. PCL underwent hydrolytic bulk degradation without compromising the morphology and integrity of the constructs. Gamma irradiation resulted in the most appropriate option. Chapter 5 investigates the design and 3D printing of three TPMS geometries (Gyroid, Diamond and Schwarz) to generate concave porosity. These structures promoted blood permeability and cell adhesion, proliferation, differentiation and mineralisation.(Català) L'os és el segon trasplantament de teixit més freqüent després de la sang. Tot i que té capacitats naturals d'autocuració, empelts ossis són necessaris quan la mida del defecte és crítica, per tal de proporcionar suport mecànic, a part d'estimular i guiar la formació d'os nou. S'han desenvolupat una àmplia gamma de materials sintètics innovadors per regenerar l’os. Entre ells, els ciments de fosfat càlcic (CaP) han adquirit una rellevància especial perquè són capaços d'autoendurir-se a temperatura corporal mitjançant una reacció de cimentació i donar lloc a hidroxiapatita deficient en calci (CDHA), amb una composició i microestructura biomimètica molt semblant a la fase inorgànica de l’os. La CDHA és biocompatible i bioactiva i es reabsorbeix progressivament durant el cicle de remodelació ossi. A més, és possible obtenir empelts de CDHA mitjançant la tecnologia d'impressió 3D anomenada direct ink wiriting (DIW), per microextrusió d'una pasta de CaP que s’autoendureix quan es submergeix en aigua a 37 ºC. Això permet crear empelts de CDHA personalitzats que s'adapten perfectament als defectes dels pacients i, alhora, controlar amb precisió la porositat interna, factor essencial per induir la formació d’os nou.
El principal objectiu d’aquesta tesi doctoral és millorar les propietats mecàniques dels empelts de CDHA impresos per DIW a baixa temperatura, mantenint les seves excel·lents propietats biològiques. D’altra banda, s’aborda el repte de desenvolupar empelts de CDHA amb estructures biomòrfiques basades en superfícies mínimes triplement periòdiques (TPMS).
La tesi es divideix en tres parts: i) definició d'una metodologia per avaluar la imprimibilitat de pastes ceràmiques a través de DIW; ii) desenvolupament d'una nova tinta de CaP per DIW, utilitzant una solució de policaprolactona (PCL) com aglutinant, per millorar les propietats mecàniques; i iii) disseny i impressió 3D d'empelts biomòrfics per potenciar la resposta biològica.
El Capítol 1 presenta els principals tipus de tintes ceràmiques usades en DIW i una descripció detallada de les proves reològiques més rellevants per avaluar la seva imprimibilitat. També, s'identifiquen els paràmetres reològics clau i es relacionen amb aspectes d'imprimibilitat. El Capítol 2 detalla el desenvolupament d'una tinta de PCL\ fosfat tricàlcic α (α-TCP). La presència de PCL no va impedir la reacció d'enduriment i va millorar les propietats mecàniques dels empelts impresos per DIW, especialment la duresa. D'altra banda, l'absència d'aigua en la tinta va millorar la seva estabilitat i la dels empelts acabats d’imprimir, permetent-ne l'emmagatzematge durant llargs períodes. El Capítol 3 caracteritza la reacció d'enduriment de la tinta PCL\α-TCP, centrant-se en l'evolució de les propietats mecàniques i fisicoquímiques, així com en la resposta cel·lular in vitro. La microestructura va evolucionar d’una fase polimèrica contínua amb partícules lliures d'α-TCP a una xarxa contínua de nanocristalls de CDHA entrellaçats entre si i amb el PCL. Això va resultar en l’evolució d’un comportament mecànic dúctil, on dominava el polímer, a un de més rígid a mesura que la fase ceràmica reaccionava. A més, l’aglutinant de PCL va permetre manipular els empelts acabats d’imprimir i elàstics. El baix contingut de PCL, juntament amb la possibilitat demostrada d’eliminar el solvent, va preservar la resposta cel·lular favorable. El Capítol 4 explora l'efecte de tres mètodes d'esterilització (gasificació amb òxid d'etilè, irradiació gamma i autoclau) sobre les propietats i la degradació in vitro dels empelts de PCL\CDHA. El PCL va patir una degradació hidrolítica uniforme sense comprometre la morfologia ni la integritat de les construccions. La irradiació gamma va resultar ser l'opció més adequada. El Capítol 5 investiga el disseny i la impressió 3D de tres geometries TPMS (Gyroid, Diamond i Schwarz) per generar porositat còncava. Aquestes estructures van potenciar la permeabilitat sanguínia i la resposta cel·lular.DOCTORAT EN ENGINYERIA BIOMÈDICA (Pla 2012