Rozprawy doktorskie IFJ PANhttp://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/32024-03-28T13:10:29Z2024-03-28T13:10:29ZApplication of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosisPiędzia, Weronikahttp://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/4022023-06-16T09:52:40Z2023-01-01T00:00:00ZApplication of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis
Piędzia, Weronika
Praca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM).
Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby.
Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1.
Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi.
Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi.
Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo.
Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego.
Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.; The thesis contains description of the application of the 9.4T MRI system using various pulse sequences and a radiofrequency (rf) cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis (MS).
Many neurodegenerative diseases, among them MS, are currently diagnosed in late stage due to the lack of proper technique that could enable pre-symptomatic diagnosis, hence efficient treatment. MRI provides superior contrast that depends not only on tissue density and water content but on tissue relaxation times, hence their chemical composition. Because MS is associated with changes in myelin (the major part of white matter) structure and its content, MRI could potentially detect these alterations based on relaxation measurements providing early MS diagnosis. However, for efficient imaging of myelin, and thus potential detection of MS, high contrast between white matter (WM) and gray matter (GM) is needed. Unfortunately, their relaxation times (in particular T2) are short and comparable to each other, causing difficulties in their differentiation. Furthermore, very short T2 of myelin makes its direct visualisation difficult. Therefore, to obtain maximum contrast, high signal-to-noise ratio (SNR), a proper and optimal pulse sequence must be selected. We applied the 9.4T MRI system equipped with a cryo-coil for maximum sensitivity hence image resolution. To detect short T2 values of myelin we investigated application of spin echo (SE) based and ultra short echo time (UTE) pulse sequences. To further enhance capability of the method to detect myelin we applied the inversion recovery UTE (IR-UTE) pulse sequence with non-selective inversion rf pulse to provide additional T1 weighting.
The studies showed, the IR-UTE pulse sequence is indeed suitable for T1 and T2 myelin measurements in the animal model, but it requires long acquisition time for multi-slice MRI. Therefore, we applied the segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE) pulse sequence that provided high quality 3D images of white and gray matter. Furthermore, we also investigated refocusing efficacy of various types of selective rf pulses, such as Version S, Mao and Levitt-Freeman. These pulses allow improved spin refocusing in inhomogeneous B1 produced by the surface RF coil and inhomogeneous B0 generated by the magnet and susceptibility of samples, hence avoiding artifacts caused by stimulated echoes.
In vivo experiments were preceded with phantom studies to find the optimal parameters of the pulse sequences, shape of the rf pulse and rf coil configuration. The in vivo results were confirmed with high resolution ex vivo MRI and with histopathology.
A cuprizone mouse model of MS was used to mimic myelin lesions (demyelinisation) occurring in MS patients. The 3D MR images of the brain were obtained using the IR-UTE and MP-RAGE pulse sequences with optimized parameters for myelin detection and changes of its content. The average signal intensities of different brain regions representing white matter (WM), gray matter (GM) and cerebrospinal fluid (CSF) were calculated. To quantify the results, histograms of different slices in control and cuprizone treated animals were calculated. The histograms showed differences in the control and cuprizone treated animals, in particular, they showed that loss of myelin in the corpus callosum (cc) and cerebral cortex was statistically significant between healthy and cuprizone-treated animals. We concluded that the application of the IR-UTE and MP-RAGE methods provided excellent WM/GM contrast improving the current assessment of demyelination in a mouse brain in vivo.
The aim of the thesis was to: 1) assess the capability of high field MRI to image brain microstructures containing various amount of myelin in the mouse brain; 2) investigate if high field MRI can be optimized to assess myelin lesions occurring in the cuprizone mouse model of MS. These aims were accomplished and the thesis results show that the 9.4T MRI system, when the cryo-coil is used and the pulse sequences are optimized, can be indeed used to asses myelin losses in the animal model of MS, showing potential for future clinical applications of the proposed method for MS diagnosis.
All animal experiments were approved by the local Ethical Committee.
2023-01-01T00:00:00ZElastic and rheological properties of human bladder cancer cells: from single cells to spheroidsGnanachandran, Kajangihttp://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/4012023-06-14T09:10:29Z2022-01-01T00:00:00ZElastic and rheological properties of human bladder cancer cells: from single cells to spheroids
Gnanachandran, Kajangi
Wiadomo, że mechaniczne i mikroreologiczne właściwości komórek, wraz z rearanżacjami w ich cytoszkielecie aktynowym, są związane z progresją nowotworu przez przejęcie ważnej roli w badaniach nad diagnostyką nowotworów. Hodowle komórek 3D mogą naśladować naturalne środowisko komórek i niektóre cechy guzów litych, będąc szeroko stosowanymi jako potencjalne modele in vitro do odkrywania nowych cech biologicznych komórek rakowych i odkrywania leków przeciwnowotworowych. W tym badaniu do utworzenia wielokomórkowych sferoidów wykorzystano trzy linie komórkowe z różnych stadiów raka pęcherza moczowego: HCV29 (rak niezłośliwy), HT1376 (rak III stopnia) i T24 (rak przejściowokomórkowy IV stopnia). Komórki te również charakteryzują się innym cytoszkieletem aktynowym. Ich właściwości mechaniczne i mikroreologiczne są badane za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) w nanoskali oraz spektroskopii sił hydraulicznych (HFS), innowacyjnej techniki aspiracji mikropipetowej, w skali makro. Prace te skupiały się głównie na zrozumieniu, w jaki sposób zmieniają się właściwości lepkosprężyste komórek w hodowlach 2D, tj. pojedynczych komórkach, monowarstwach i sferoidach 3D. Nasze wyniki z AFM pokazują, że zarówno pod wpływem ściskania, jak i naprężenia ścinającego, komórki HCV29 są sztywniejsze niż komórki HT1376 i T24, co potwierdza, że komórki rakowe są bardziej odkształcalne niż komórki niezłośliwe, niezależnie od warunków hodowli. Następnie oceniono związane z wiekiem zmiany właściwości mechanicznych sferoidów, a wyniki porównano z analizą histologiczną przekrojów sferoid. Wyniki AFM wykazały, że wszystkie komórki stają się sztywniejsze z powodu efektu starzenia i reorganizacji ich cytoszkieletu. Zaobserwowano również, że sferoidy utworzone przez komórki HCV29 były jedynymi, które wytwarzały macierz zewnątrzkomórkową (ECM), co może wyjaśniać zmiękczenie tych sferoidów po wykryciu przez HFS. Dlatego zmiany w interakcjach komórka-komórka i komórka-ECM podczas starzenia mogą mieć duży wpływ na mechaniczne zachowanie komórek. Na koniec sprawdzono, czy właściwości mechaniczne uzyskane dzięki HFS można wykorzystać do badania wpływu docetakselu (DTX), leku przeciwnowotworowego, na trzy rodzaje sferoidów raka pęcherza moczowego. Wyniki pokazały, że trzy linie komórkowe zachowują się inaczej i że HFS może wykrywać zmiany mechaniczne wywołane przez lek, nawet w bardzo niskich stężeniach, przed pojawieniem się jakiegokolwiek markera biologicznego, co czyni HFS korzystną metodą oceny aktywności związków przeciwnowotworowych. Biorąc pod uwagę wszystkie wyniki tej pracy, dochodzimy do wniosku, że właściwości mechaniczne i reologiczne sferoidów raka pęcherza, określane za pomocą AFM i HFS, mogą służyć jako markery biofizyczne nie tylko w diagnostyce, ale także w leczeniu tego typu nowotworu.; Mechanical and microrheological properties of cells, along with the rearrangements in their actin cytoskeleton, are known to be associated with cancer progression by acquiring an important role in cancer diagnostic research. 3D cell cultures can mimic the natural environment of cells and some features of solid tumors, being widely used as potential in vitro models for finding novel biological features of cancer cells and anticancer drug discovery. In this study, three cell lines from different stages of bladder cancer were used to form the multicellular spheroids: HCV29 (non-malignant cancer), HT1376 (grade III carcinoma), and T24 (grade IV transitional cell carcinoma) cells. These cells are characterized by a different actin cytoskeleton, too. Their mechanical and microrheological properties are investigated using atomic force microscopy (AFM) at the nanoscale and hydraulic force spectroscopy (HFS), an innovative micropipette aspiration technique, at the macroscale. This work was mainly focused on understanding how the viscoelastic properties of cells change in 2D cultures, i.e., single cells, monolayers, and 3D spheroids. Our results from AFM show that under both compression and shear stress, HCV29 cells are stiffer than HT1376 and T24 cells, confirming that cancer cells are more deformable than non-malignant cells, regardless of the culture conditions. Then, the age-related changes in the mechanical properties of spheroids were evaluated, and the results were compared to the histological analysis of spheroid cross-sections. AFM results showed that all cells become stiffer due to the aging effect and the reorganization of their cytoskeleton. It was also observed that spheroids formed by HCV29 cells were the only ones to produce extracellular matrix (ECM), which could explain the softening of these spheroids when detected by HFS. Therefore, changes in cell-cell and cell-ECM interactions during aging may greatly impact the mechanical behavior of the cells. Finally, it was checked whether the mechanical properties obtained by HFS could be used to study the effects of docetaxel (DTX), an anticancer drug, on the three types of bladder cancer spheroids. The results showed that the three cell lines behave differently and that HFS could detect the mechanical changes induced by the drug, even at very low concentrations, before the appearance of any biological marker, making HFS an advantageous method to assess the activities of anticancer compounds. Considering all the results from this work, we conclude that the mechanical and rheological properties of bladder cancer spheroids, determined by AFM and HFS, may serve as biophysical markers, not only in diagnosis but also in the treatment of this type of cancer.
2022-01-01T00:00:00ZHigh-energy factorization, TMD, off-shell amplitudes and nuclear effectsBlanco, Etiennehttp://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/4002023-06-14T08:59:37Z2022-01-01T00:00:00ZHigh-energy factorization, TMD, off-shell amplitudes and nuclear effects
Blanco, Etienne
W niniejszej rozprawie badamy faktoryzację procesów hadronowych w wysokoener-getycznych zderzeniach hadronów, ze szczególnym uwzględnieniem pędu poprzecznego. Praca jest podzielona na trzy etapy : badanie nTMDs, przedstawienie metody otrzymywania amplitud poza powłaką masy amplitud niezmienniczych ze względu na cechowanie oraz badanie ewolucji dżetów w QGP, zgodnie z równaniami BDIM.
W pierwszej części otrzymano rozkłady nTMD metodą PB. Był to pierwszy zestaw rozkładów partonowych (Pb) TMD uzyskany tą metodą. Ten rozkład partonów został użyty z generatorem MC KaTie w celu opisu danych CMS na produkcję bozonów Z Drell-Yann (gdzie zachodzi faktoryzacja k_T). Działało to zaskakująco dobrze, biorąc pod uwagę, że elementy macierzowe poza powłoką masy były obliczane tylko na poziomie drzewiastym. Była to również okazja do oszacowania efektów jądrowych i różnych wzorów faktoryzacji (faktoryzacja wysokoenergetyczna, hybrydowa, kolinearna).
Technika obliczeń elementów macierzowych poza powłaką masy jest tematem kolejnego rozdziału. Metoda partonów pomocniczych opiera się na wprowadzeniu rozważanego procesu poza powłoką masy w większym procesie na powłoce masy, aby zagwarantować niezmienność cechowania i skorzystać z szerokiwj wiedzy o amplitudach na powłoce masy. Pierwotnie ta metoda została opracowana do obliczeń na poziomie drzewiastym. W przedstawionej pracy jeden z pierwszych kroków w celu uogólnienia metody partonów pomocniczych na poziomie pętli został wykonany przez obliczenie amplitudy jedno pętlowej dla jednego gluonu poza powłoką masy i dowolnej liczby gluonów o dodatniej skrętności. Analizowano również możliwość zastosowania tej metody do otrzymania innych amplitud jednopętlowych.
Ostatni temat dotyczy ewolucji funkcji fragmentacji dżetu (opisujących rozkład energii i pędu poprzecznego jego składowej) w gęstym ośrodku, z wykorzystaniem równania BDIM. Równania te opisują utratę energii dżetu przez oddziaływanie dżetu z plazmą oraz rozszczepienie wywołane przez ośrodek, biorąc pod uwagę tylko gluony oraz zakładając że plazma jest statyczna. W pierwszym kroku opracowaliśmy kilka metod rozwiązywania równania BDIM, zanim rozważyliśmy pęd poprzeczny w funkacjach rozszczepień. Na etapie końcowym uogólniliśmy równanie BDIM, aby uwzględnić wkład kwarków do ewolucji.
Niniejsza praca opiera się na następujących publikacjach :
E. Blanco, A. van Hameren, H. Jung, A. Kusina, and K. Kutak, “Z boson production in proton-lead collisions at the LHC accounting for transverse momenta of initial partons,” Phys. Rev. D, vol. 100, no. 5, p. 054 023, 2019. doi: 10.1103/PhysRevD.100.054023. arXiv: 1905.07331 [hep-ph]
E. Blanco, A. van Hameren, P. Kotko, and K. Kutak, “All-plus helicity off-shell gauge invariant multigluon amplitudes at one loop,” JHEP, vol. 12, p. 158, 2020. doi: 10.1007/JHEP12(2020)158. arXiv: 2008.07916 [hep-ph]
E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and R. Straka, “Medium induced QCD cascades: broadening and rescattering during branching,” JHEP, vol. 04, p. 014, 2021. doi: 10.1007/JHEP04(2021)014. arXiv: 2009.03876 [hep-ph]
E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and K. Tywoniuk, “System of evolution equations for quark and gluon jet quenching with broadening,” Eur. Phys. J. C, vol. 82, no. 4, p. 355, 2022. doi: 10.1140/epjc/s10052-022-10311-2. arXiv:2109.05918 [hep-ph].
Bardziej ogólne tematy w tej pracy oparte są na następujących podręcznikach :
F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 1984, isbn: 978-0-471-88741-6
Y. V. Kovchegov and E. Levin, Quantum chromodynamics at high energy. Cambridge University Press, Aug. 2012, vol. 33, isbn: 978-0-521-11257-4. doi: 10 . 1017/CBO9781139022187
H. Nastase, Classical Field Theory. Cambridge University Press, Mar. 2019, isbn: 978-1-108-47701-7
M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model. Cambridge University Press, Mar. 2014, isbn: 978-1-107-03473-0
Ponadto bardzo przydatne okazały się następujące tezy :
M. Bury, “Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in
hadronic collisions,” Ph.D. dissertation, IFJ-PAN, 2020
F. Van der Veken, “Wilson lines : applications in QCD,” Ph.D. dissertation, Antwerp
U., 2014
A. Lelek, “Determination of TMD parton densities from HERA data and appli-
cation to pp processes,” Ph.D. dissertation, Hamburg U., Hamburg, 2018. doi:
10.3204/PUBDB-2018-02949
V. Vila Perez, “Jet quenching and heavy ion collisions,” Ph.D. dissertation, Santiago
de Compostela U., 2020
M. De Angelis, “QCD Evolution At Amplitude Level,” Ph.D. dissertation, The
University of Manchester, 2021.; In this thesis, we explore the factorization of hadronic processes in heavy-ion collision at high energy with a focus on accounting for transverse momentum. This exploration is separated into three stages : the study of nuclear Transverse Momentum Dependant PDFs (nTMD), the presentation of a method to calculate gauge invariant off-shell amplitudes, and the study of jet evolution in Quark-Gluon Plasma (QGP), following Blaizot-Dominguez-Iancu-Mehtar-Tani (BDIM) equations.
In the first part, a set of nTMD has been obtained using the Parton Branching (PB) method (which solves the Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi (DGLAP) equation, keeping track of the transverse momentum during the evolution). It was the first lead (Pb) Transverse Momentum Dependant PDF (TMD) set obtained through this method. This set has been tested with the Monte-Carlo (MC) generator KaTie to reproduce CMS data for Drell-Yann Z-boson production (where kT -factorization holds). It worked surprisingly well considering that the (off-shell) matrix elements were only calculated at tree level. This was also the occasion to test, in this context, nuclear effects and different factorization formulas (high energy, hybrid, collinear).
The method used to obtain the off-shell matrix elements is the focus of the next part. The auxiliary parton method is based on embedding the considered off-shell process into a larger one, on-shell, to guarantee gauge invariance and to benefit from our knowledge of on-shell amplitudes. Originally, it was developed for tree-level calculation only. In this thesis, one of the first steps to generalize the auxiliary parton method at loop-level has been done through the calculation of the one-loop amplitude for one off-shell-gluon and an arbitrary number of plus helicity gluons. Also, some of the difficulties related to the application of this method to other one-loop amplitudes were studied.
The last topic concerns the evolution of jet fragmentation functions (describing the energy and transverse momentum component of its constituents) in a dense medium, through the BDIM equation. These equations describe the jet energy loss through jet broadening and medium-induced splitting, accounting for gluons only and considering the medium static. We first developed several methods to solve the integrated BDIM before accounting for transverse momentum in branching. Finally, we have generalized the BDIM to account for quarks.
This thesis is based on the following publications :
• E. Blanco, A. van Hameren, H. Jung, A. Kusina, and K. Kutak, “Z boson production in proton-lead collisions at the LHC accounting for transverse momenta of initial partons,” Phys. Rev. D, vol. 100, no. 5, p. 054 023, 2019. doi: 10.1103/PhysRevD.100.054023. arXiv: 1905.07331 [hep-ph]
• E. Blanco, A. van Hameren, P. Kotko, and K. Kutak, “All-plus helicity off-shell gauge invariant multigluon amplitudes at one loop,” JHEP, vol. 12, p. 158, 2020. doi: 10.1007/JHEP12(2020)158. arXiv: 2008.07916 [hep-ph]
• E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and R. Straka, “Medium induced QCD cascades: broadening and rescattering during branching,” JHEP, vol. 04, p. 014, 2021. doi: 10.1007/JHEP04(2021)014. arXiv: 2009.03876 [hep-ph]
• E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and K. Tywoniuk, “System of evolution equations for quark and gluon jet quenching with broadening,” Eur. Phys. J. C, vol. 82, no. 4, p. 355, 2022. doi: 10.1140/epjc/s10052-022-10311-2. arXiv:2109.05918 [hep-ph].
The more general topics in this thesis are based on the following textbooks :
• F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 1984, isbn: 978-0-471-88741-6
• Y. V. Kovchegov and E. Levin, Quantum chromodynamics at high energy. Cambridge University Press, Aug. 2012, vol. 33, isbn: 978-0-521-11257-4. doi: 10.1017/CBO9781139022187
• H. Nastase, Classical Field Theory. Cambridge University Press, Mar. 2019, isbn: 978-1-108-47701-7
• M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model. Cambridge University Press, Mar. 2014, isbn: 978-1-107-03473-0
Moreover, the following theses were highly useful :
• M. Bury, “Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in hadronic collisions,” Ph.D. dissertation, IFJ-PAN, 2020
• F. Van der Veken, “Wilson lines : applications in QCD,” Ph.D. dissertation, Antwerp U., 2014
• A. Lelek, “Determination of TMD parton densities from HERA data and application to pp processes,” Ph.D. dissertation, Hamburg U., Hamburg, 2018. doi: 10.3204/PUBDB-2018-02949
• V. Vila Perez, “Jet quenching and heavy ion collisions,” Ph.D. dissertation, Santiago de Compostela U., 2020
• M. De Angelis, “QCD Evolution At Amplitude Level,” Ph.D. dissertation, The University of Manchester, 2021.
2022-01-01T00:00:00ZChanges in mechanical properties of single cells in the oxygen and glucose deprivation (OGD) modelZieliński, Tomaszhttp://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/3992023-06-14T08:50:18Z2023-01-01T00:00:00ZChanges in mechanical properties of single cells in the oxygen and glucose deprivation (OGD) model
Zieliński, Tomasz
Udar mózgu jest jedną z głównych przyczyn zgonów u osób w wieku powyżej 40 lat. Pod względem etiologii wyróżnia się udar krwotoczny i niedokrwienny, ten drugi stanowi znaczną większość przypadków (około 90%). Przyczyną udaru niedokrwiennego jest zablokowanie światła naczynia krwionośnego (na przykład skrzepliną) prowadzące do zablokowania przepływu natlenowanej krwi przez tkankę. Obecnie w terapii udaru stosuje się leki rozpuszczające skrzeplinę (rekombinowany tkankowy aktywator plazminogenu) i przywracające przepływ krwi. Pomimo wielu badań klinicznych i setek potencjalnych leków, wciąż nie ma skutecznej terapii opartej na neuroprotekcji.
Badanie zmian właściwości nanomechanicznych tkanki nerwowej oraz poszczególnych komórek może rzucić światło na mechanizmy zaangażowane w patologiczne zmiany zachodzące w komórkach podczas udaru i zrozumieć procesy molekularne, które za nimi stoją. Do oceny i wyjaśnienia zmian właściwości nanomechanicznych różnych modeli komórkowych zastosowano połączone techniki mikroskopii sił atomowych (AFM), mikroskopii konfokalnej i analizy aktywności metabolicznej. Pierwszy model oparty jest na modelu komórkowym SH-SY5Y ludzkiej neuroblastomy. Komórki poddano deprywacji tlenu i glukozy (OGD) przez 1, 3 i 12 godzin. Ich odpowiedź biomechaniczną badano bezpośrednio po ekspozycji na OGD i po 24-godzinnej reoksygenacji (24h RO). Uzyskane wyniki wykazały, że żywotność SH-SY5Y pozostała niezmieniona, ale równolegle aktywność metaboliczna komórek zmniejszała się wraz z czasem trwania OGD. Po 24h RO nie zaobserwowano powrotu do pełni aktywności metabolicznej. Komórki poddane OGD wykazywały wyższą deformowalność niż komórki kontrolne. Zwiększenie deformowalności komórek było silnie obecne w komórkach już po godzinnym OGD, a w warunkach 24h RO deformowalność komórek była na poziomie deformowalności komórek kontrolnych.
Drugi model, oparty na mysich pierwotnych neuronach hipokampa, które były komórkami traktowanymi w warunkach OGD przez 1 i 3 godziny, wykazał znaczne zmniejszenie przeżywalności komórek podczas przedłużonej ekspozycji na OGD i reoksygenacji. Badania AFM, analogicznie do modelu SH-SY5Y, wykazały zwiększoną deformowalność komórek. Analiza za pomocą mikroskopu konfokalnego potwierdziła zaburzenia w organizacji sieci aktynowej oraz utratę integralności mikrotubul. Dodatkowo analiza mikroreologiczna potwierdziła zmiany we własnościach lepkich neuronów, korelujące z czasem trwania OGD.
Zmiany właściwości nanomechanicznych obu modeli komórkowych przypisano przebudowie różnych składników cytoszkieletu. Zrozumienie przebudowy cytoszkieletu opierało się głównie na odpowiedzi cytoszkieletu aktynowego i jego regulacji przez białko związane z aktyną, kofilinę. W postaci aktywnej (nieufosforylowanej) kofilina odpowiada za przecięcie, zarodkowanie i rozgałęzienie cytoszkieletu aktynowego. Zastosowane modele w różny sposób reagują na warunki OGD. W komórkach SH-SY5Y za zmianę właściwości nanomechanicznych odpowiedzialny jest głównie spadek polimeryzacji aktyny. Aktywność kofiliny odgrywa rolę kompensacyjną w przedłużonej ekspozycji. W modelu neuronalnym aktywność kofiliny wzrasta, istnieje jednak wiele innych mechanizmów modulacji aktywności cytoszkieletu, w tym reorganizacja mikrotubul oraz wzrost objętości komórek (tzw. cell swelling). Przedstawione badanie pokazuje znaczenie nanomechaniki w badaniach nad procesami patologicznymi związanymi z niedokrwieniem, takimi jak udar.; Stroke is one of the leading causes of death in people over 40. Stroke is one of the leading causes of death over the age of 40. In terms of etiology, it can be divided into hemorrhagic and ischemic stroke, accounting for the vast majority of cases (about 90%). An ischemic stroke occurs when blood clots or other particles block a blood vessel's lumen, depleting supplies of fresh blood. Currently, pharmacotherapy of stroke uses drugs to dissolve the clot (recombinant tissue plasminogen activator) and restore blood flow. Despite many clinical trials and potential cures, there is still no effective therapy to protect neurons from death.
Examination of alterations in nanomechanical properties of nervous tissue and individual cells might shed light on mechanisms engaged in pathological changes present in cells during stroke exposure and understand molecular processes lying behind them. Combined atomic force microscopy (AFM) techniques, confocal microscopy, and metabolic activity analysis were applied to estimate and explain alterations in the nanomechanical properties of cells subjected to oxygen and glucose deprivation (OGD).
First, the changes in the nanomechanical properties of human neuroblastoma SH-SY5Y cells exposed to OGD for 1, 3, and 12h were evaluated directly after OGD and after 24h of re-oxygenation (RO). Obtained results showed that the viability of SH-5YSY cells remained unchanged, but, in parallel, the metabolic activity of these cells decreased with OGD duration. 24h RO did not recover the metabolic activity fully. Cells subjected to OGD expressed higher deformability than control cells. Cell softening was strongly present in cells after 1h of OGD and with longer OGD duration, and in RO conditions, cells recovered their mechanical properties. Next, mice primary hippocampal neurons were exposed to OGD conditions for 1 and 3h. The results revealed a significant decrease in cell survival during prolonged OGD exposure and re-oxygenation. AFM-based assessment of nanomechanical and microrheological properties of neurons showed the increased deformability of neurons and a shift in transition frequency, suggesting alterations in the cytoskeleton and cytoplasm ion equilibrium. Confocal images confirmed disturbances in actin network organization and loss of the integrity of microtubules. Additionally, microrheological analysis confirmed alterations in a viscous component of nanomechanical properties of neuronal cell cultures, which correlated with OGD duration.
Changes in the nanomechanical properties observed for both cell types were attributed to the remodeling of various cytoskeleton components. Understanding of cytoskeleton remodeling was mainly based on the response of actin cytoskeleton and their regulation via actin-associated protein, cofilin. In active form (unphosphorylated), cofilin is responsible for the actin cytoskeleton severing, nucleation, and branching. Each studied cell type responded differently to OGD conditions. In neuroblastoma SH-SY5Y cells, mainly a decrease in actin polymerization is responsible for the alteration in the nanomechanical properties of these cells. Cofilin activity plays a compensatory role in prolonged exposure. In the case of neurons, the cofilin activity increases, which pointed to other mechanisms of cytoskeleton activity modulation, including microtubule re-organization, and cytotoxic cell swelling. The presented study shows the importance of nanomechanics in research on ischemic-related pathological processes such as stroke.
2023-01-01T00:00:00Z