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Hintergrund: Die Aortenklappenstenose stellt in Europa und Nordamerika das häufigste Klappenvitium dar und ist vor allem auf eine degenerative Genese zurückzuführen. Da das Auftreten erster Symptome mit einer schlechten Prognose assoziiert ist, ist die transfemorale Aortenklappenimplantation mittels Katheter (TAVI) als minimalinvasive Therapie schon seit längerem eine Alternative zum operativen Ersatz der Aortenklappe und aktuelles Thema der Forschung. Zwar existiert eine Vielzahl an Transkatheterklappen und es werden fortlaufend neue Generationen entwickelt, allerdings liegt bislang noch keine Studie vor, die einen direkten Vergleich der intraannularen Portico-Prothese (Abbott) mit der ebenfalls selbstexpandierbaren, aber supraannularen, Symetis-Prothese (Boston Scientific) präsentiert.
Methoden: Es erfolgte eine retrospektive Analyse von 142 gematchten (nach Alter, BMI, NYHA-Klasse, EuroScore, insulinpflichtiger Diabetes Mellitus, arterielle Hypertonie, COPD, KHK, präinterventionelle eGFR, cAVK, Schlaganfall, TIA in der Vorgeschichte) Patienten je Klappenmodell im medianen Alter von 83 Jahren, die sich mit einer hochgradigen symptomatischen Aortenklappenstenose im Zeitraum vom 12.10.2015 bis zum 07.01.2020 einer transfemoralen TAVI im Universitätsklinikum in Frankfurt am Main unterzogen. Untersucht wurde als primärer Endpunkt die Gesamtmortalität nach 1 Jahr. Darüber hinaus wurden mittels multivariater Cox-Regression unabhängige Risikofaktoren identifiziert. Als sekundäre Endpunkte wurden Komplikationen innerhalb von 30 Tagen gemäß den Definitionen des Valve Academic Research Consortium (VARC) 2 gewählt wie die Implantationen neuer Schrittmacher, paravalvuläre Leckage, Gefäßkomplikationen und akutes Nierenversagen. Analysiert wurden außerdem prozedurale Faktoren, die Symptomatik anhand der NYHA-Klasse sowie einige Laborparameter vor und nach der TAVI.
Ergebnisse: In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die 1-Jahres-Mortalität mit der Portico-Prothese signifikant höher ist als mit der Symetis-Prothese (25,2% vs. 12,2%; p=0,011). Dabei gelten neben der Portico-Prothese eine reduzierte linksventrikuläre Funktion und die NYHA-Klassen III/IV gemäß multivariater Cox-Regressionsanalyse als unabhängige Risikofaktoren. Postinterventionell war in der Portico-Kohorte ein neuer Linksschenkelblock (34,5% vs. 23,2%; p=0,036), die Implantation neuer Schrittmacher (22,6% vs. 11,8%; p=0,011) sowie ein akutes Nierenversagen (25,5% vs. 12,8%; p=0,006) signifikant häufiger. Hinsichtlich prozedurbezogener Faktoren hat sich herausgestellt, dass mit der Symetis-Prothese häufiger nachdilatiert (41,5% vs. 25,3%; p=0,004), mit der Portico-Prothese hingegen häufiger vordilatiert (92,2% vs. 82,3%; p=0,012) wurde. Außerdem wurde in der Portico-Kohorte signifikant mehr Kontrastmittel eingesetzt und das Verfahren mit der Durchleuchtung dauerte signifikant länger. Echokardiographisch resultierte post TAVI mit der Symetis-Prothese eine signifikant andere bzw. günstigere Verteilung der Aortenklappeninsuffizienzgrade. Laborchemisch war der Wert für NT-proBNP als biochemischer Marker für eine Herzinsuffizienz signifikant höher als in der Symetis-Gruppe.
Schlussfolgerung: Diese Arbeit zeigte eine signifikant höhere Mortalität nach 1 Jahr mit der Portico-Prothese im direkten Vergleich mit der Symetis-Prothese. Außerdem ergab der Vergleich signifikant höhere Komplikationsraten in der Portico-Kohorte hinsichtlich Schrittmacherimplantationen, neuem Linksschenkelblock und akutem Nierenversagen. Weitere Studien sollten die beiden Prothesen im längerfristigen Verlauf vergleichend analysieren. Die Ergebnisse dieser Studie können zur Optimierung neuer Klappengenerationen beitragen, indem sie auf potenziell prognosebestimmende Aspekte des Designs und der Implantationstechnik aufmerksam machen. Außerdem sensibilisert die Studie für eine individuell für jeden Patienten angepasste Prothesenauswahl. Möglicherweise sollte bei Vorerkrankungen der Niere oder bei vorbekannten Herzleitungsstörungen die Symetis- gegenüber der Portico-Prothese vorgezogen werden.
Resistenzen gegenüber Carbapenemen sind eine Bedrohung für die globale Gesundheit mit wenigen verbleibenden Therapieoptionen. Ceftazidim/Avibavtam (CZA) ist die Kombination aus einem Cephalosporin und einem Diazabicyclooctan, mit der Eigenschaft eine Vielzahl von Carbapenemasen der Ambler Klasse A und D zu inhibieren. Resistenzen gegenüber Carbapenemen in gramnegativen Bakterien sind in Kolumbien und anderen Ländern Lateinamerikas weit verbreitet. In den hier vorgestellten Arbeiten wurden 2.235 Enterobakterien und 492 P. aeruginosa Isolate aus fünf Lateinamerikanischen Ländern auf ihre Empfindlichkeit gegenüber CZA und anderen klinisch verfügbaren Antibiotika untersucht. Die CZA-resistenten Isolate wurden mittels PCR und Genomsequenzierung auf die zugrundeliegenden Resistenzmechanismen hin analysiert. CZA zeigte Aktivitäten gegenüber 99,2% (2.217/2.235) aller untersuchten Enterobacterales und 77,8% (383/492) aller P. aeruginosa Isolate. Als plausible Erklärung für die Resistenz gegen CZA konnte mittels qPCR bei allen Enterobakterien und bei 38,5% (42/109) der P. aeruginosa Isolate ein Metallo-β-Laktamase (MBL)-kodierendes Gen nachgewiesen werden. Die verbleibenden P. aeruginosa Isolate wurden einer Genomsequenzierung unterzogen, dabei zeigten sich Mutationen in Genen, die zuvor mit einer verringerten Empfindlichkeit gegen CZA assoziiert wurden, wie z.B. Genen die mit der Überexpression von MexAB-OprM und AmpC (PDC) in Verbindung stehen, sowie Genen, die PoxB (blaOXA-50-like), FtsI (PBP3), DacB (PBP4) und OprD kodieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit von Therapieoptionen gegenüber MBL-produzierenden und anderen Carbapenem-resistenten Mikroorganismen. Des Weiteren sind diese Studien eine Momentaufnahme der Empfindlichkeit gegen CZA vor dessen Verfügbarkeit in Lateinamerika und dienen deswegen als Ausgangspunkt um die Entwicklung von Resistenzen in dieser Region zu verfolgen.
In this thesis, the early time dynamics in a heavy ion collision of Pb-Nuclei at LHC center-of-mass energies of 5 TeV is studied. Right after the collision the system is out-of-equilibrium and essentially gluon dominated, with their density saturating at a specific momentum scale Q_s. Based on a separation of scales for the soft and hard gluonic degrees of freedom, the initial state is given from an effective model, known as the Color Glass Condensate. Within this model, the soft gluons behave classical to leading order, making it possible to study their dynamics in gauge invariant fashion on a three dimensional lattice, solving Hamiltonian field equations of motion, keeping real time. Quark-Antiquark pairs are produced in the gluonic medium, known as the Glasma and manifest themselves as a source of quantum fluctuations.
They enter the dynamics of the gluons as a current, making the system semi-classical. In lattice simulations, the non-equilibrium system is tested for pressure isotropization, which is a necessary ingredient to reach a local thermal equilibrium (LTE), making a hydrodynamical description at a later stage possible. In addition, the occupation of energy modes is studied with its implications on thermalization and classicality.
The role of Apelin signaling and endocardial protrusions during cardiac development in zebrafish
(2023)
During cardiac development, cardiomyocytes (CMs) are delaminated from the compact muscle wall to increase the muscle mass of the heart. This process is also known as cardiac trabeculation. It has been shown that growth factors produced by endocardial cells (EdCs) are required for myocardial morphogenesis and growth. In particular, Neuregulin produced by EdCs promotes myocardial trabeculation. The deficiency of Neuregulin signaling leads to hypotrabeculation. Endocardial protrusions project from the endocardium to the myocardium are also essential for the trabeculae onset. Yet current studies only introduce the function of endocardial sprouts descriptively. This article first reports the mechanisms of endocardial sprouting during myocardial trabeculation. By living imaging, we first demonstrate that EdCs interact with CMs through membrane protrusions in zebrafish embryos. More interestingly, these protrusions stay in close contact with their target CMs in spite of the cardiac contraction. We utilize loss-of-function strategies to report the importance of myocardial apelin, which induces endocardial protrusion formation. Zebrafish lacking Apelin signaling exhibit defects in endocardial protrusion formation as well as excessive deposition of cardiac jelly and hypotrabeculation. Notably, we also present data that blocking protrusion formation in endocardial cells phenocopies the trabeculation defects in apelin mutants. Mechanistically, endocardial-derived Neuregulin requires Apelin signaling mediated endocardial protrusions, and Neuregulin dependent pERK expression is attenuated in the condition of reduced endocardial protrusion formation. Together, our data suggest that endocardial-myocardial communication through endocardial protrusions acts as an underlying principle allowing myocardial growth.
Understanding the brain's proactive nature and its ability to anticipate the future has been a longstanding pursuit in philosophy and scientific research. The predictive processing framework explains how the brain generates predictions based on environmental regularities and adapts to both predicted and unpredicted events. Prediction errors (PE) occur when sensory evidence deviates from predictions, triggering cognitive and neural processes that enhance learning and subsequent memory. However, the effects of PE on episodic memory have not been clearly explained. This dissertation aims to address three key questions to advance our understanding of PE and episodic memory. First, how does the degree of PE influence episodic memory, and how do expected and unexpected events interact in this process? Second, what insights can be gained from studying the electrophysiological activity associated with prediction violations, and what role does PE play in subsequent memory benefits? Lastly, how do memory processes change across the lifespan, and how does this impact the brain's ability to remember events? By answering these questions, this dissertation contributes to advancing our understanding of the cognitive and neural mechanisms underlying the relationship PE and episodic memory.
Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP.
Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann.
In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren.
Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird.
Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte.
Necroptosis is an immunogenic form of programmed cell death characterized by plasma membrane accumulation of activated mixed lineage kinase domain-like (MLKL) that eventually leads to membrane disruption and release of danger-associated molecular patterns (DAMPs). Necroptotic cell death is tightly controlled by checkpoints, including compartmentalization as well as post-translational modifications (PTMs), like phosphorylation and ubiquitination of receptor-interacting protein kinase (RIPK) 1, RIPK3 and MLKL. Removal of plasma membrane-located activated MLKL via endocytosis or exocytosis can counteract necroptosis, but up till now, the exact mechanisms by which necroptosis is regulated downstream of MLKL activation and oligomerization are not fully understood.
Ubiquitination is a key post-translational modification that regulates various cellular processes including cell survival and cell death signaling via ubiquitination of RIPK1, RIPK3 and MLKL. M1-linked (linear) poly-ubiquitination is mediated exclusively by the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) which critically regulates cell fate and immune signaling via death receptors such as TNF receptor 1 (TNFR1).
In this study, we demonstrate that M1 poly-Ubiquitin (poly-Ub) increases during necroptosis which can be blocked by inhibition of LUBAC activity with the small-molecule HOIL-1-interacting protein (HOIP) inhibitor HOIPIN-8 or by loss of LUBAC catalytic subunit HOIP. Intriguingly, HOIPIN-8, as well as the HOIP inhibitor gliotoxin, and HOIP knockdown effectively prevent TNFα/smac mimetic/zVAD.fmk-induced necroptotic cell death in cells of human origin, without affecting necroptotic RIPK1 and RIPK3 phosphorylation, necrosome formation and oligomerization of phosphorylated MLKL. We demonstrate that HOIPIN-8 treatment inhibits MLKL translocation to intracellular membranes and accumulation in plasma membrane hotspots as well as MLKL exocytosis. We further confirm that HOIPIN-8 treatment suppresses necroptotic cell death in primary human pancreatic organoids (hPOs). Using time-lapse imaging and live/dead staining, we demonstrate loss of organoid structure and hPO cell death induced by smac mimetics and caspase inhibitors, thus providing a novel platform to investigate necroptosis in near physiological settings. Inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 prevents hPO collapse and extends cell viability. Of note, loss of the M1 Ub-targeting deubiquitinating enzymes (DUBs) OTU DUB with linear linkage specificity (OTULIN) and cylindromatosis (CYLD) in human cell lines does not affect necroptosis induction and HOIPIN-8-mediated rescue of necroptosis. Intriguingly, inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 does not block necroptotic cell death in murine cell lines.
Using massive analyses of cDNA ends (MACE)-seq-based global transcriptome analysis we confirm that necroptosis induces a pro-inflammatory cytokine profile which is dependent on LUBAC function and necroptotic signaling. Loss of LUBAC activity prevents the MLKL-dependent production and release of pro-inflammatory cytokines and chemokines.
Finally, we identify Flotillin-1 and -2 (FLOT1/2) as putative targets of necroptosis-induced M1 poly-Ub. Ubiquitin-binding in ABIN and NEMO (UBAN)-based pulldowns of M1 poly-ubiquitinated proteins revealed enrichment of FLOTs after necroptosis induction which is dependent on LUBAC activity and can be blocked with necroptosis inhibitors Nec-1s, GSK’872 and NSA, targeting RIPK1, RIPK3 and MLKL, respectively. Of note, loss of FLOT1/2 potentiates necroptosis suppression induced by LUBAC inhibition with HOIPIN-8.
Together, these findings identify LUBAC-mediated M1 poly-Ub as an important mediator of necroptosis and identify FLOTs as novel putative targets of LUBAC-mediated M1 poly-Ub during necroptosis. In addition, by modeling necroptosis in primary human organoids, we further expand the spectrum of experimental models to study necroptosis in human cellular settings.
Hintergrund: Der Hypoparathyreoidismus (Hypopara) ist neben der Recurrensparese eine typische postoperative Komplikation nach Thyreoidektomie. Ziel dieser Arbeit soll die Prozessoptimierung des postoperativen Managements sein, um einen p.o. Hypopara frühzeitig zu erkennen und zu therapieren und somit die klinischen Symptome zu lindern oder zu vermeiden.
Methoden: Es wurden alle Patienten mit einer beidseitigen Schilddrüsenresektion eingeschlossen. Ausschlusskriterien waren simultane Nebenschilddrüsen- erkrankungen sowie fortgeschrittene Schilddrüsenmalignome mit geplantem Tumordebulking und/oder langem ITS-Aufenthalt. Postoperativ wurden Parathormon (EDTA) sowie Kalzium (Serum) bestimmt. Bei einem Parathormon (PTH) - Wert unter dem Referenzbereich (15,0-68,3 pg/ml) und/oder einer ausgeprägten Hypokalzämie mit einem Kalziumwert < 1,9 (Ref. 2,20-2,65 mmol/l) und/oder klinischen Zeichen wie Kribbelparästhesien oder Tetanie wurde Kalzium und Vitamin D mittels festem Schema verordnet. Die Symptombesserung wurde klinisch dokumentiert.
Ergebnisse: Am AGAPLESION Elisabethenstift gGmbH in Darmstadt wurden im Zeitraum zwischen Januar 2019 und Juni 2022 Schilddrüseneingriffe bei insgesamt 465 Patienten durchgeführt. Nach Berücksichtigung der Ein- und Ausschlusskriterien wurden 193 Patienten mit Thyreoidektomie in die Auswertung einbezogen. Ein p.o. Hypopara wurde bei 51 Patienten (26,4 %) festgestellt. Bei 40 Patienten (20,7 %) traten Symptome auf (39x Kribbelparästhesie, 1xTetanie). Von den 51 Patienten lag bei 26 (51 %) ein nur leicht erniedrigter Kalziumwert am 1. p.o. Tag vor (zwischen 2,00 und 2,20 mmol/l), bei 10 Patienten (19,6 %) war der Kalziumwert im Normbereich (2,20-2,65 mmol/l). Im Vergleich dazu lag bei 6 von 51 Patienten (11,8 %) ein normwertiger PTH-Wert vor. Bei 20 Patienten (10,4 %) erfolgte intraoperativ eine Nebenschilddrüsen-Replantation in den ipsilateralen M. sternocleidomastoideus. Davon trat bei 8 Patienten (40 %) ein Hypopara auf. Bei 29 Patienten (15 %) wurde in der Histologie ein akzidentiell mitentferntes Epithelkörperchen nachgewiesen. Davon trat bei 13 Patienten (44,8 %) ein Hypopara auf. Die mittlere Zeit nach OP zur PTH-Bestimmung lag bei 2,41 Tagen. Die mittlere Aufenthaltsdauer der Patienten mit Hypopara betrug 3,86 Tage (± 2,272), die der restlichen Patienten betrug 2,69 Tage (± 1,759), p < 0,001.
Schlussfolgerungen: Die PTH-Bestimmung ist neben der klinischen Visite essentiell zur Früherkennung eines p.o. Hypopara. Eine mehrtägige Kalziumbestimmung ist damit nicht zwingend erforderlich, sodass die Verweildauer verkürzt werden kann. Das verordnete Schema zur oralen Substitution von Kalzium und Vitamin D ist auch ambulant fortführbar. Die Replantation einer nicht erhaltbaren NSD hat bei 60 % einen Hypopara verhindert. Die gezielte Darstellung und Erhalt der NSD sollte bei jedem Eingriff eingehalten werden. Insgesamt zeigt diese Arbeit den höheren Stellenwert des postoperativen PTH-Wertes sowie der klinischen Zeichen als das Serumkalzium zur Erkennung und Therapie des Hypopara nach Thyreoidektomie.
Influenza is a contagious respiratory disease caused by influenza A and influenza B viruses. The World Health Organisation (WHO) reports that annual influenza epidemics result in approximately 1 billion infections, 3 to 5 million severe cases, and 300 to 650 thousand deaths. Understanding hidden mechanisms that lead to optimal vaccine efficacy and improvement antiviral treatment strategies remain continuous and central tasks. First, regarding the immune response to vaccines and natural infections, the antibody response echoes the dynamics of diverse immune elements such as B-cells, and plasma cells. Also, responses reflect the processes for B-cells to gain and adapt affinity for the virus. Antibodies (Abs) that respond to the virus surface proteins, particularly to the hemagglutinin (HA), have been identified to protect against infection. The Abs responses binding to HA can be broadly protective as this protein is considerably accessible on the virion. When following sequential infections with similar influenza strains, i.e. two infections with different strains of a subtype, an enhanced breadth and magnitude of Abs response is developed, mainly after the second infection. The effect of being effective to new strains is called Abs cross-reaction.
On the other hand, as for antiviral treatment, the WHO currently approves the use of neuraminidase inhibitors (NIs) such as zanamivir and oseltamivir. Diverse research areas such as system biology, learning-based methods, control theory, and systems pharmacology have guided the development of modern treatment schemes. To do so, mathematical models are used to describe a wide range of phenomena such as viral pathogenesis, immune responses, and the drug's dynamics in the body. Drug dynamics are usually expressed in two phases, pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) - the PK/PD approach. These schemes leverage pre-clinical and clinical data through modeling and simulation of infection and drug effects at diverse levels. Under such a framework, control-based scheduling systems seek to tailor optimal antiviral treatment for infectious diseases. Thus, influenza treatment can be theoretically studied as a control-based optimization duty (about systems stability, bounded inputs, and optimality). Finally, towards real-world implementation, learning-based methods such as neural networks (NNs) can guide solving issues on the control-based performance. Using NNs as identifiers provide a setting to deal with infrequent measures and uncertain parameters for the control systems.
This thesis theoretically explores central mechanisms in influenza infection via modeling and control approaches. In the first project, we explore how and to what extent antibody-antigen affinity flexibility could guide the Abs cross-reaction in two sequential infections using a hypothetical family of antigens. The set of antigens generally represent strains of influenza, such as those of a subtype. Each antigen is composed of a variable and a conserved area, generically representing the structures of the HA, head, and stalk, respectively. We test diverse scenarios of affinity thresholds in the conserved and variable areas of the antigens. The Abs response reaches a high magnitude when using equivalent affinity thresholds in the conserved and variable areas during the first infection. However, improved cross-reaction is developed when slightly increasing the affinity threshold of the variable area for the second infection. Key mutations via affinity maturation is a feature that, together with affinity flexibility between infections, guides Abs cross-reaction in the model outcome. These results could correlate with studies pointing out that broad responses might be dependent on reaching specific mutations for getting affinity to a newly presented antigen while broadly reaching related antigens. The general platform may serve as a proof-of-concept for exploring fundamental mechanisms that favor the Abs cross-reaction.
In a second project, theoretical schemes are developed to combine impulsive and inverse optimal control strategies to address antiviral treatment scheduling. We present results regarding stability, passivity, bounded inputs, and optimality using impulsive action. The study is founded on mathematical models of the influenza virus (target-cell limited model) adjusted to data from clinical trials. In these studies, participants were experimentally infected with influenza H1N1 and treated with NIs. Results show that control-based strategies could tailor dosage and reduce the amount of medication by up to 44%. Also, control-based treatment reaches the efficacy (98%) of the current treatment recommendations by the WHO. Monte Carlo simulations (MCS) disclose the robustness of the proposed control-based techniques. Using MCS, we also explore the applicability to the individualized treatment of infectious diseases through virtual clinical trials. Furthermore, bounded control strategies are applied directly in drug dose estimation accounting for overdose prevention. Finally, due to the limitations of the available technology intended for clinical practice, we emphasize the necessity of developing system identifiers and observers for real-world applications.
In the third project, the problem of data scarcity and infrequent measures in the real world is handled by means of learning-based methods. System identification is derived using a Recurrent High Order Neural Network (RHONN) trained with the Extended Kalman filter (EKF). Lessons learned from impulsive control frameworks are taken to develop a neural inverse optimal impulsive control --neurocontrol. The treatment efficacy is tested for early (one day post-infection) and late (2 to 3 days post-infection) treatment initiation. The neurocontrol reaches an efficacy of up to 95% while saving almost 40% of the total drug in the early treatment. Robustness is tested via virtual clinical trials using MCS.
Lastly, taking all together, the schemes developed in this thesis for modeling the Abs cross-reaction and control-based treatment tailoring can be extended and adapted to explore similar phenomena in different respiratory pathogens, such as SARS-CoV-2.