XXIV Trobades científiques de la Medirerrània · Vida’. La Societat Catalana de Física (SCF)...

XXIV Trobades científiques de la Medirerrània

La Física a les Ciències de la Vida 2

Taula de continguts Benvinguda 3 Informació general 4 Finançament 5 Agraïments 5 Comitès 6 Llista de participants 7 Moderadors i organització 8 Resum del programa 9 Programa detallat 10 Resums de les presentacions per ordre d’intervenció 19



Ens plau donar-vos la benvinguda a les XXIV Trobades Científiques de la Mediterrània, que enguany se celebren sota el lema ‘La Física a les Ciències de la Vida’. La Societat Catalana de Física (SCF) de l’Institut d’Estudis Catalans (IEC) i la Secció de Ciència i Tècnica de l’ Institut Menorquí d’Estudis (IME) organitzen l’edició d’enguany juntament amb l’ Institut de Nanociència i Nanotecnologia de la Universitat de Barcelona (IN2UB). Aquestes Trobades han estat concebudes amb un clar tarannà multidisciplinar i transversal i, alhora, volen fer palès el fet que disciplines tan diverses com ara la física, la química, la biologia, la medicina, la farmacologia o l’enginyeria es troben cada cop més interrelacionades dins el marc de la recerca que es fa actualment als Països Catalans en l’àmbit de les ciències de la vida. Tanmateix, les Trobades no volen deixar de banda el panorama internacional i per això s’ha volgut comptar amb la participació de científics de fora dels Països Catalans que fan recerca en aquest camp.

Els comitès organitzador i científic i el comitè científic assessor de les XXIV Trobades Científiques de la Mediterrània han elaborat un programa científic organitzat en 7 sessions temàtiques: (1) Biofísica molecular i cel·lular, (2) Bioenginyeria, (3) Biosensors, (4) Nanopartícules i clústers, (5) Diagnòstic per la Imatge i Física Mèdica, (6) Biomedicina; i (7) Física en sistemes biològics. Aquestes 7 sessions apleguen un total de 38 presentacions, amb 3 xerrades plenàries de sengles convidats de centres de recerca europeus, 18 xerrades semiplenàries per invitació i 17 presentacions orals. Ha estat voluntat dels organitzadors que en aquestes contribucions orals hi participessin el màxim nombre possible d’estudiants pre- i post-doctorals. Tota la informació al voltant de les XXIV Trobades Científiques de la Mediterrània i els resums de les 38 presentacions que podreu escoltar aquests dies ha estat recollida en el llibre de resums que ha editat l’IN2UB i que ara us presentem. Podeu consultar també l’històric de Les XXIV Trobades i documentació relacionada amb aquest esdeveniment al web http://www.ub.edu/in2ub/mao2008/home.php.

Volem agrair a les 3 institucions organitzadores (SCF-IEC, IME i IN2UB), així com a la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i a la Universitat Politècnica de Catalunya, el finançament de les Trobades d’enguany, ja que sense el seu suport no haurien estat possibles. Finalment, volem agrair a l’IN2UB la gestió administrativa inherent en l’organització d’aquestes Trobades.

Esperem que les XXIV Trobades siguin un èxit científic i que l’entorn

privilegiat i l’ambient distès de Maó us permeti gaudir tant de la ciència com de les relacions humanes. Xavier Batlle i Gelabert SCF-IEC i IN2UB En nom dels comitès organitzador i científic. Maó, octubre de 2008.



Informació general

Dates

6-8 d’octubre de 2008

Localització

Institut Menorquí d’Estudis Camí des Castell, 28 07702 Maó Menorca

Organitzen Societat Catalana de Física de l’Institut d’Estudis Catalans (SCF) Secció de Ciència i Tècnica de l’Institut Menorquí d’Estudis (IME) Institut de Nanociència i Nanotecnologia de la Universitat de Barcelona (IN2UB) Estructura de les XXIV Trobades científiques de la Mediterrània i característiques generals de les presentacions El programa científic de l’edició d’enguany de les Trobades científiques de la Mediterrània consisteix en tres jornades que s’estructuren en 7 sessions temàtiques diferenciades (vegeu quadre sinòptic). Aquestes sessions apleguen un total de 38 presentacions, que poden ser de tres tipus:

Plenàries (45 minuts) Semiplenàries (30 minuts) Orals (10, 15, o 20 minuts)



Finançament Societat Catalana de Física de l’Institut d’Estudis Catalans (SCF) Secció de Ciència i Tècnica de l’Institut Menorquí d’Estudis (IME) Institut de Nanociència i Nanotecnologia de la Universitat de Barcelona (IN2UB) Facultat de Física. Universitat de Barcelona Universitat Politècnica de Catalunya

Agraïments Les 3 entitats organitzadores volen expressar el seu agraïment a la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i a la Universitat Politècnica de Catalunya, pel finançament que aquestes dues institucions els han concedit per tal de fer possible les XXIV Trobades cienífiques de la Mediterrània. Els organitzadors agraeixen així mateix el suport, tant pel que fa a l’assessorament científic com a la seva col.laboració en la difusió de l’esdeveniment, de les següents institucions:

Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) Facultat de Física de la Universitat de Barcelona Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Universitat de Girona (UdG) Societat Catalana de Biologia de l’Institut d’Estudis Catalans Societat Catalana de Química de l’Institut d’Estudis Catalans Institut Català de Nanotecnologia (ICN) Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona (IRBB) Universitat de les Illes Balears (UIB) Universitat Rovira i Virgili (URV) Universitat Politècnica de València (UPV) Universitat de Lleida (UdL)



Comitès Comitè organitzador

Xavier Batlle – coordinador- (UB, IN2UB, SCF) , Amílcar Labarta (UB, IN2UB)

Comitè científic local

Núria Ferrer (UPC, SCF), Arben Merkoçi (UAB, ICN), Daniel Navajas (UB, IN2UB)

Secretaria i gestió

Meritxell Salvany (IN2UB)

Comitè científic assessor

Albert Figueras, ICMAB Albert Folch, University of Washington Carles Arús Caralto, UAB Conrado J. Pérez Vicente, UB Dolors Baró, UAB Ernest Giralt Lledó, UB Esteve Padrós, UAB Fèlix Ritor, UB Ferran Badia, UdL Francesc Pérez Murano, CNM Francesc Salvat, UB Francesc X. Rius, URV Gustavo Egea, UB Jaume Quera, Hospital de l’Esperança (Barcelona) Joan Martí, UdG Joaquim Puigdollers, UPC Jordi Pascual, UAB José Maria Sancho Herrero, UB Jose Maria Fernández Varea, UB José Miguel Rubí Capaceti, UB Josep Antoni Planell Estany, UPC Josep Samitier Martí, UB María García-Parajo, PCB Ramon Alcubilla, UPC Raul Toral, UIB Ricard Guerrero, UB Rosa Puchades, UPV Salvador Alegret, UAB Víctor F. Puntes, UAB Xavier Ortega, UPC



Llista de participants

DILLUNS 6 D’OCTUBRE . DILLUNS 6 D’OCTUBRE . DILLUNS 6 D’OCTUBRE . DILLUNS 6 D’OCTUBRE . DILLU Cognom Nom Institució Tipus Ponència Inici/nºsessió Rief Matthias Technischen Universität München Plenària 10:00:00; nº1 Ritort Fèlix Universitat de Barcelona Semiplenària 10:45:00; nº1 Rubí Miguel Universitat de Barcelona Semiplenària 11:45:00; nº1 Sancho José María Universitat de Barcelona Semiplenària 12:15:00; nº1 G. Parajo María IBEC- Inst. de Bioenginyeria de Catalunya Semiplenària 12:45:00; nº1 Andilla Jordi Universitat de Barcelona Oral (15 min.) 13:15:00; nº1 Farré Arnau Universitat de Barcelona Oral (15 min.) 13:30:00; nº1 Larroy Carolina Universitat de Barcelona Oral (15 min.) 13:45:00; nº1 De Lorenzo Sara Universitat de Barcelona Oral (10 min.) 14:00:00; nº1 Planell Josep Anton IBEC- Inst. de Bioenginyeria de Catalunya Semiplenària 16:00:00; nº2 Gomila Gabriel IBEC- Inst. de Bioenginyeria de Catalunya Semiplenària 16:30:00; nº2 Serra Pere Universitat de Barcelona Semiplenària 17:00:00; nº2 Oberhansl Sabine IBEC- Inst. de Bioenginyeria de Catalunya Semiplenària 18:00:00; nº2 Fernández C. Irene CNM-IMB, CSIC Semiplenària 18:30:00; nº2 Mattotti Marta IBEC; UPC Oral (20 min.) 19:00:00; nº2 Diéguez Lorena Universitat de Barcelona Oral (20 min.) 19:20:00; nº2 DIMARTS 7 D’OCTUBRE . DIMARTS 7 D’OCTUBRE . DIMARTS 7 D’OCTUBRE . DIMARTS 7 D’OCTUBRE . DIMAR Cognom Nom Institució Tipus Ponència Inici/nºsessió Turner Anthony Cranfield University Plenària 9:00:00; nº3 Merkoçi Arben Inst. Català de Nanotecnologia (UAB) Semiplenària 9:45:00; nº3 Serre Christophe Universitat de Barcelona Semiplenària 10:15:00; nº3 De la Escosura Alfredo Inst. Català de Nanotecnologia (UAB) Oral (15 min.) 11:15:00; nº3 Mir Mònica IBEC- Inst. de Bioenginyeria de Catalunya Oral (15 min.) 11:30:00; nº3 Pérez R. Nicolás Universitat de Barcelona Semiplenària 11:45:00; nº4 García F. Lorena Inst. Català de Nanotecnologia (UAB) Oral (20 min.) 12:15:00;nº4 Selva Javier Universitat de Barcelona Oral (15 min.) 12:45:00; nº4 Julià Margarida Universitat Autònoma de Barcelona Semiplenària 15:00:00; nº5 Pino Francisco Inst. Català d'Oncologia Oral (10 min.) 15:30:00; nº5 Pino Francisco Universitat de Barcelona Oral (10 min.) 15:40:00; nº5 Roé Núria Universitat de Barcelona Oral (20 min.) 15:50:00; nº5 Popota Foteimi Universitat de Barcelona Oral (20 min.) 16:10:00; nº5 Segura Martha Universitat Rovira i Virgili Oral (20 min.) 16:30:00; nº5 DIMECRES 8 D’OCTUBRE . DIMECRES 8 D’OCTUBRE . DIMECRES 8 D’OCTUBRE . DIMECRES 8 D’OCTUBRE . DICognom Nom Institució Tipus Ponència Inici/nºsessió Betz Timo Institut Curie Plenària 9:30:00; nº6 Navajas Daniel Universitat de Barcelona Semiplenària 10:15:00; nº6 Egea Gustavo Universitat de Barcelona Semiplenària 10:45:00; nº6 Trepat Xavier Universitat de Barcelona Semiplenària 11:15:00; nº6 Sunyer Raimon Universitat de Barcelona Oral (15 min.) 12:15:00; nº6 Toral Raúl Universitat de les Illes Balears Semiplenària 12:30:00; nº7 Pérez V. Conrado J. Universitat de Barcelona Semiplenària 13:00:00; nº7 Sintes Tomàs Universitat de les Illes Balears Oral (20 min.) 13:30:00; nº7



Moderadors i organització COGNOMS NOM INSTITUCIÓ MODERA Batlle Xavier Universitat de Barcelona 6/10 matí (Sessió 1) Navajas Daniel Universitat de Barcelona 6/10 tarda (Sessió 2) Ferrer Núria Universitat Politècnica de Catalunya7/10 matí (Sessions 3 i 4)Merkoçi Arben Inst. Català de Nanotecnologia 7/10 tarda (Sessió 5) Labarta Amílcar Universitat de Barcelona 8/10 matí (Sessions 6 i 7) Salvany Meritxell IN2UB Secretaria



Resum del programa Dilluns 6

d’octubre Dimarts 7

d’octubre Dimecres 8

d’octubre 9:45-10:00

Benvinguda 9:00-11:45

Sessió 3: Biosensors Moderadora: Núria Ferrer

9:30-12:30

Sessió 6: Biomedicina Moderador: Amílcar Labarta

10:00-14:10

Sessió 1: Biofísica molecular i cel.lular Moderador: Xavier Batlle

11:45-13:00

Sessió 4: Nanopartícules i Clústers Moderadora: Núria Ferrer

12:30-13:50

Sessió 7: Física en Sistemes Biològics Moderador: Amílcar LabartaCloenda 16:00-

19:40 Sessió 2: Bioenginyeria Moderador: Daniel Navajas

11:00-16:50

Sessió 5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica Moderador: Arben Merkoçi

13:50-13:55

17:15-19:15

Excursió en vaixell (Port de Maó)

21:00 Sopar de les XXIV Trobades



Programa científic Dilluns 6 d’octubre 9:45 Benvinguda 10:00 - 14:00 Biofísica molecular i cel·lular Moderador: Xavier Batlle 10:00 - 10:45 Plenària: Matthias Rief. Technischen Universität München Títol: Mechanical Control of Protein Conformation 10:45 - 11:15 Semiplenària: J. M. Huguet (Departament de Fisica Fonamental, Facultat de Fisica, Universitat de Barcelona), N. Forns (CIBER-BBN,Networking Centre on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine), S. B. Smith (Howard Hugues Medical Institute and Department, University of Califiornia), C. Bustamante (Howard Hugues Medical Institute and Department, University of Califiornia ) and F. Ritort (Departament de Fisica Fonamental, Facultat de Fisica, Universitat de Barcelona. CIBER-BBN,Networking Centre on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine)

Títol:DNA Thermodynamics Inferred from DNA Unzipping Experiments

11:15 - 11:45 Pausa 11:45 - 12:15 Semiplenària: I. Santamaría-Holek (Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México), C. Bustos (Instituto de Fisiología Celular, Universidad Nacional Autónoma de México), P. Noguez (Instituto de Fisiología Celular, Universidad Nacional Autónoma de México), J. Miguel Rubi (Facultat de Física, Universitat de Barcelona and Francisco) F. de Miguel (Instituto de Fisiología Celular, Universidad Nacional Autónoma de México) Títol: Somatic Exocitosis of Serotonin Mediated by Molecular Motors

12:15-12:45 Semiplenària: José Maria Sancho. Departament d’Estructura i Constituents de la Matèria. Facultat de Física. Universitat de Barcelona. Títol: Introducción a las nanomáquinas: motores, bombas y canales

12:45-13:15 Semiplenària: T.S. van Zanten, R. Diez-Ahedo, O. esteban, D. Normanno, M.F. Garcia-Parajo. Single Molecule BioNanoPhotonics group, IBEC-Institut de Bioenginyeria de Catalunya, Barcelona, Spain

Títol: Optical Nano-tools to Elucidate Cell Membrane Compartmentalization



13:15 -13:30 Oral: Jordi Andilla (Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona), Michelle S. Roth (Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona), Estela Martín-Badosa (Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona), Sara de Lorenzo (Departament de Física Fonamental, Universitat de Barcelona), Fèlix Ritort (Departament de Física Fonamental, Universitat de Barcelona), Mario Montes-Usategui (Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona), Artur Carnicer (Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona) Títol:Design of Holographic Optical Tweezers for Application in Single-molecule Experiments 13:30 -13:45 Oral: A.Farré, C.López-Quesada, J.Andilla i M.Montes-Usategui. Grup de Recerca en Òptica Física, Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona.

Títol: Explorant els mecanismes del trànsit Vesicular en cèl.lules vives mitjançant pinces òptiques

13:45 -14:00 Oral: C. Larroy (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona), A. Mossa (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona) and F. Ritort (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina) Títol: Exploring Protein-stretch Transitions by Using Optical Tweezers: Barnase and an Unstructured Protein 14:00 -14:10 Oral: S. De Lorenzo (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona), F. Ritort (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina) Títol: High-time resolution folding kinetics in DNA 16:00-19:40 Bioenginyeria Moderador: Daniel Navajas 16:00-16:30 Semiplenària: Josep A.Planell (Institut de Bioenginyeria de Catalunya)

Títol: Resposta biològica a diferents propietats superficials de biomaterials.

16:30-17:00 Semiplenària: Gabriel Gomila, J. Toset and L. Fumagall (Institut de Bioenginyeria de Catalunya, Nanobioelectrical characterization group and Department of Electronics, University of Barcelona)

Títol: Electrical properties of biological membranes at the nanoscale.



17:00-17:30 Semiplenària: Pere Serra, M. Duocastella, J.M. Fernández Pradas, J.L. Morenza (Universitat de Barcelona, Departament de Física Aplicada i Òptica) Títol: Liquids microprinting through laser induced forward transfer for miniaturized biosensors preparation 17:30 - 18:00 Pausa 18:00-18:30 Semiplenària: S. Oberhansl (Nanobioengineering group,IBEC), X. Sisquella (Nanobioengineering group,IBEC), E. Martínez (Nanobioengineering group,IBEC, Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine. CIBER-BBN), J. Samitier (Nanobioengineering group,IBEC, Department of Electronics. Universitat de Barcelona, Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine. CIBER-BBN). Títol: Protein nanopatterned surfaces by means of Dip-pen Nanolithography 18:30-19:00 Semiplenària: Irene Fernandez-Cuesta, César Fernández-Sánchez, Antoni Baldi, Xavier Borrisé and Francesc Pérez-Murano Centro Nacional de Microelectrónica - Barcelona (CNM-IMB, CSIC)

Títol: Interdigitated nanoelectrodes for (bio)sensing 19:00-19:20 Oral: Mattotti M (Dpt. Materials Science and Metallurgical Engineering. Technical University of Catalonia – UPC, Institut for Bioengineering of Catalonia – IBEC), Planell JA (Dpt. Materials Science and Metallurgical Engineering. Technical University of Catalonia – UPC, Institut for Bioengineering of Catalonia – IBEC, Centro de Investigación Médica en Red. Biomecánia, Biomateriales y Nanotecnología – CiberBBN), Alcantara S(Dpt. of Pathology and Experimental Therapeutics, Medical School. University of Barcelona – UB), Engel E(Dpt. Materials Science and Metallurgical Engineering. Technical University of Catalonia – UPC, Institut for Bioengineering of Catalonia – IBEC, Centro de Investigación Médica en Red. Biomecánia, Biomateriales y Nanotecnología – CiberBBN)

Títol: Micro patterned PMMA substrates influence glial cell phenotype 19:20-19:40 Oral: L. Diéguez (Department of Electronics, University of Barcelona), M. Mir (Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)), S. Rodríguez Seguí (Department of Electronics, University of Barcelona; Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)), A. Errachid (Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC); Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER-BBN), Barcelona), E. Martínez (Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC); Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER-BBN), Barcelona), J. Samitier (Department of Electronics, University of Barcelona; Nanobioengineering



group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC); Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER-BBN))

Títol: Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy for Detection of Olfatory Receptor

Dimarts 7 d’octubre 9:00 - 11:45 Biosensors Moderadora: Núria Ferrer 9:00-9:45 Plenària: Anthony P F Turner. Cranfield University Títol: Biosensors: the crossroad between biology and organic chemistry.

9:45-10:15 Semiplenària: Arben Merkoçi. Nanobioelectronics & Biosensors Group, Catalan Institute of Nanotechnology. Bellaterra.

Títol: Nanobiotechnology and Biosensor Opportunities

10:15-10:45 Semiplenària: M. Cortés (Electrodep, Dept Química Física and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), E. Gómez (Electrodep, Dept Química Física and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), P. Premchander (EME/CERMAE, Dept Electrònica and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB)), C. Serre (EME/CERMAE, Dept Electrònica and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB)), A. Pérez-Rodríguez (EME/CERMAE, Dept Electrònica and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB)), E. Vallés (Electrodep, Dept Química Física and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), S. Martínez (Centre Nacional de Microelectrònica CNM-CSIC, Campus UAB, Bellaterra), F. J. Muñoz (Centre Nacional de Microelectrònica CNM-CSIC, Campus UAB, Bellaterra)

Títol: Copper electrodeposition processes for high aspect ratio inductive

devices in microsystems technology 10:45 - 11:15 Pausa 11:15-11:30 Oral: Alfredo de la Escosura-Muñiz (Nanobioelectronics and Biosensors Group, Institut Català de Nanotecnologia, Bellaterra, Instituto de Nanociencia de Aragón, Universidad de Zaragoza), Adriano Ambrosi (Nanobioelectronics and Biosensors Group, Institut Català de Nanotecnologia, Bellaterra,), Belén Dïaz-Freitas (Grupo de Inmunología, Universidad de Vigo, Spain), Christian Sánchez-Espinel (Grupo de Inmunología, Universidad de Vigo, Spain), África González-Fernández (Grupo de Inmunología, Universidad de Vigo, Spain), Arben Merkoçi (Nanobioelectronics and Biosensors Group, Institut Català de Nanotecnologia, Bellaterra)

Títol: Clinical applications of gold nanoparticle-based magnetobiosensors



11:30-11:45 Oral: Mònica Mir (Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)), Abdelhamid Errachid (Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN)), Francis Vocanson (Université de Lyon) and Josep Samitier ( Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Department of Electronics, University of Barcelona)

Títol: New supramolecular platform for ion-selective-sensors

11:45 - 13:00 Nanopartícules i clústers Moderadora: Núria Ferrer 11:45-12:15 Semiplenària: N. Pérez, P. Guardia, A. Labarta, X. Batlle (Dept. Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, and Insitut de Nanociència i Nanotecnología (IN2UB)

Títol: Synthesis and magnetic properties of iron oxide nanoparticles for biomedical aplications 12:15-12:35 Oral: L. García-Fernández (Insitut Català de Nanotecnologia, Universitat Autònoma de Barcelona), J. M. Fernandez-Pradas (Faculty of Physics, Universitat de Barcelona), F. Garcia (Institut de Biotecnologia i Biomedicina, Universitat Autònoma de Barcelona), J. Esteve (Faculty of Physics, Universitat de Barcelona), V. Puntes (Institut Català de Nanotecnologia, Universitat Autònoma de Barcelona)

Títol: Biocompatibilization of Laser Ablated Nanoparticles (Au, Co, Fe3O4, TiO2, Ag) 12:45-13:00 Oral: Selva J (Departament de Biologia Cel·lular, Inmnunologia i Neurociències, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona; Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la Universitat, Martínez SE (Departament de Biologia Cel·lular, Inmnunologia i Neurociències, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona; Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la Universitat de Barcelona), Buceta D (Laboratory of Magnestism and Nanotechnology (Nanomag), Technological Research Institute. University of Santiago de Compostela), Rodríguez M (3), Blanco MC (3), López-Quintela MA (Laboratory of Magnestism and Nanotechnology (Nanomag), Technological Research Institute. University of Santiago de Compostela), Egea G (Departament de Biologia Cel·lular, Inmnunologia i Neurociències, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain. (2) Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la Universitat de Barcelona)

Títol: Silver Atomic Quantum Clusters prevent harmful ethanol effects in mammalian cells



15:00 - 16:50 Diagnòstic per la Imatge i Física Mèdica Moderador: Arben Merkoçi 15:00- 15:30 Semiplenària: Margarida Julià Sapé (Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Cerdanyola del Vallès; Grup d'Aplicacions Biomèdiques de la RMN-GABRMN, Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biociències, Universitat Autònoma de Barcelona, Cerdanyola del Vallès); C. Carles Majós (Institut de Diagnòstic per la Imatge (IDI-Bellvitge), Consorci Sanitari i Universitari de Bellvitge, L'Hospitalet del Llobregat, Espanya; Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Cerdanyola del Vallès); C. Carles Arús (Grup d'Aplicacions Biomèdiques de la RMN-GABRMN, Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biociències, Universitat Autònoma de Barcelona, Cerdanyola del Vallès; Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Cerdanyola del Vallès) Títol: Diagnòstic per RMN in vivo de tumors cerebrals humans. 15:30-15:40 Oral: F. Pino (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia, Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona), R. De Blas (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia), I. Modolell (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia), C. Picon (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia), I. Sancho (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia), J. Puxeu, M.C. Lizuain (Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia) Títol: Verificación experimental de dosimetrías IMRT utilizando el sistema "Portal Dosimetry" y películas GafChromic EBT. Experiencia clínica. 15:40-15:50 Oral: F. Pino (Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona, Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia) , N. Roé (Hospital Clínic de Barcelona), A. Orero (Hospital Clínic de Barcelona), C. Falcón (Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona, Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Barcelona), S. Rojas (Departamento de Farmacología y Toxicología, Instituto de Investigaciones Biomédicas de Barcelona, CSIC), JM. Benlloch (Instituto de Física Corpuscular, CSIC. Valencia), J. Pavia (Hospital Clínic de Barcelona, Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Barcelona), D. Ros (Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona, Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Barcelona)

Títol: Desenvolupament i caracterització d’un sistema SPECT per animal petit basat en una gamma càmera portàtil 15:50-16:10 Oral: N. Roé (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona, Servei de Medicina Nuclear, Hospital Clínic i Provincial. Barcelona), J. Gallego (Institut de Tècniques Energètiques, Universitat Politècnica de Catalunya.



Barcelona), A. Cot (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona), J. Sempau (Institut de Tècniques Energètiques, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona), S. Bullich (Grup d'Imatge en Neurociències, Institut d'Alta Tecnologia, PRBB. Barcelona), J. Pavía (Servei de Medicina Nuclear, Hospital Clínic i Provincial. Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona, Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS). Barcelona), D. Ros (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona, Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS). Barcelona)

Títol: Simulació Monte Carlo d'estudis de SPECT amb 123-I utilitzant fotons d’alta i baixa energia amb una versió modificada del codi SimSET

16:10-16:30 Oral: F. D. Popota (Institut d’alta Tecnologia, PRBB, Barcelona, Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona), N. P. Martínez Vera (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona), S. Madrigal Rojas (Grupo de Investigación en Radiofísica, Universidad de Santiago de Compostela), D. Ros (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona, Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS). Barcelona), A. Cot (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona), J. D. Gispert (Institut d’alta Tecnologia, PRBB, Barcelona, CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona), J. Pavía (CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona, Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS). Barcelona, Servei de Medicina Nuclear, Hospital Clínic i Provincial. Barcelona) Títol: Estimació de la fracció de dispersió en estudis de Tomografia d’Emissió de Positrons en humans i en animal petit 16:30-16:50 Oral: M. Segura (Física i Cristal.lografia de Materials i Nanomaterials (Ficma-Ficna), Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona), X. Mateos (Física i Cristal.lografia de Materials i Nanomaterials (Ficma-Ficna), Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona), M. Salvadó (Física Mèdica, Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona), M. López Tortosa (Física Mèdica, Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona), F. Díaz ((Física i Cristal.lografia de Materials i Nanomaterials (Ficma-Ficna), Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona), M. Aguiló ((Física i Cristal.lografia de Materials i Nanomaterials (Ficma-Ficna), Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona)

Títol: New 2 µm Laser for Application in Dermatology 17:15 - 19:15 Excursió en vaixell pel port de Maó 21.30 Sopar XXIV TROBADES CIENTÍFIQUES DE LA MEDITERRÀNIA



Dimecres 8 d’octubre 9:30 - 13:50 Biomedicina Moderador: Amílcar Labarta 9:30 - 10:15 Plenària: Timo Betz, L-L Pontani and C. Sykes (Section de Recherche, Institut Curie, UMR CNRS) Títol: Building cell movements step by step 10:15-10:45 Semiplenària: Daniel Navajas (Dept. Ciències Fisològiques I. Facultat de Medicina, IN2UB, Universitat de Barcelona, Grupo de Biomecánica Respiratoria y Celular de la Universidad de Barcelona - GBRC-UB Títol: Nanomecànica cel·lular: Adaptant-se a l’entorn mecànic

10:45-11:15 Semiplenària: Gustavo Egea (Dept. Biologia Cel·lular, Immunologia i Neurociències. Facultat de Medicina, IN2UB, Universitat de Barcelona)

Títol: La actina y la seva dinàmica en la organització del tràfic intracel·lular de membranes en cèl·lules de mamífer

11:15-11:45 Pausa 11:45-12:15 Semiplenària: X. Trepat (Program in Molecular and Integrative Physiological Sciences, Harvard Universtiy, Unitat de Biofísica i Bioenginyeria and Institut de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat de Barcelona), D. Navajas (Program in Molecular and Integrative Physiological Sciences, Harvard Universtiy; Unitat de Biofísica i Bioenginyeria and Institut de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat de Barcelona, Unitat de Biofísica i Bioenginyeria and Institut de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat de Barcelona ), J.J. Fredberg (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria and Institut de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat de Barcelona)

Títol: Shear fluidization of the living cell: a new paradigm of mechanoprotection 12:15-12:30 Oral: R. Sunyer (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Departament de Ciències Fisiològiques I, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona); F. Ritort (Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona.);R. Farré ( Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Departament de Ciències Fisiològiques I, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona); D. Navajas (Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Departament de Ciències Fisiològiques I, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona) Títol: Efecte de la temperatura a la reologia cel•lular mesurada mitjançant microscopia de força atòmica



12:30-13:50 Física en sistemes biològics Moderador: Amílcar Labarta 12:30-13:00 Semiplenària: R. Toral (IFISC (Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos) CSIC-UIB,

Títol: Diversity can improve the response to a changing environment

13:00-13:30 Semiplenària: Conrad J. Pérez (Departament de Física Fonamental, Faculatat de Física, Universitat de Barcelona)

Títol: Sincronización: un enlace entre geometria y tiempo 13:30-13:50 Oral: T. Sintes (Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos IFISC (UIB-CSIC). Universitat de les Illes Balears)

Títol: Clonal plant growth and genetic diversity 13:50-13:55 CLOENDA



Resums de les presentacions per ordre d’intervenció



Mechanical Control of Protein Conformation

M.Rief(1) (1)Physikdepartment der Technischen Universität München

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular- Plenària The development of nano-mechanical tools like Atomic Force Microscopy cantilevers and optical traps has recently made it possible to address individual biomolecules and study their response to mechanical forces.In mytalk I will give examples how site-directed force spectroscopy allows to study the energy landscape of proteins and protein-ligand interactions usingprecise mechanical control of protein conformation. Examples will include the anisotropic mechanics of the green fluorescent protein and directobservation of equilibrium fluctuations of the calcium sensor calmodulin.



DNA thermodynamics inferred from DNA unzipping experiments

J. M. Huguet(1), N. Forns(2), S. B. Smith(3), C. Bustamante(3) and F. Ritort(1,2) (1) Departament de Fisica Fonamental, Facultat de Fisica, Universitat de Barcelona,

Diagonal 647, 08028 Barcelona, Spain. (2) CIBER-BBN,Networking Centre on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine; (3) Howard Hugues Medical Institute

and Department

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular- Semiplenària Optical tweezers use the optical gradient force generated by a focused laser beam of light acting on an object of index of refraction higher than that of the surrounding medium to impart sub-piconewton forces. The possibility to detect such tiny forces together with the ability of measuring extensions with nanometer resolution allows to characterize the thermodynamics and kinetics of individual molecules (e.g. nucleic acids and proteins) beyond1kcal/mol of energy resolution (Ref. 1). In this talk I will present a detailed investigation (Ref. 2) on the thermodynamics of DNA unzipping (i.e. mechanical separation of the two complementary strands by pulling them apart). I will present a new experimental approach useful to test the validity of the nearest neighbour model commonly used to predict native states and free energies of secondary structures in nucleic acids. Our experimental results, combined with appropriate theoretical modeling (Ref. 3), are capable of predicting the stacking free energy parameters used in the nearest neighbour model with an unprecedented accuracy of 0.1 kcal/mol. I will discuss the implications of these results for the determination of native structures and free energies in RNA and DNA molecules.

1 F. Ritort, “Single molecule experiments in biological physics: methods and

applications”, J. Phys. (Cond. Matt.) 18, R531-R583 (2006) 2 J. M. Huguet, N. Forns, S. B. Smith, C. Bustamante and F. Ritort, "DNA

thermodynamics inferred from DNA unzipping experiments”, (2008). Preprint 3 M. Manosas and F. Ritort, “Thermodynamic and kinetic aspects of RNA pulling

experiments”, Biophysical Journal, 88, 3224-3242 (2005).



Somatic exocitosis of serotonin mediated by molecular motors

I. Santamaría-Holek a, C. Bustos b, P. Noguezb, J. Miguel Rubi c and Francisco F. de Miguel b

a Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México.

Circuito exterior de Ciudad Universitaria. 04510, D. F., México.

b Instituto de Fisiología Celular, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito exterior de Ciudad Universitaria. 04510, D. F., México.

c Facultat de Física, Universitat de Barcelona. Av.Diagonal 647, 08028, Barcelona, Spain.

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular- Semiplenària We quantified somatic exocytosis of serotonin in Retzius neurons and explored the possible contribution of molecular motors and the cytoskeleton on the mobilization of vesicles induced by stimulation with trains of electrical impulses. Secretion was quantified from the increase of fluorescence of FM1-43 in response to sequences of 20 mV trains of 10 impulses at 2 min intervals, produced by intracellular current injection. Somatic secretion was also evoked by a pulse of 10 mM caffeine applied to the bathing solution. Stimulation of neurons produced a gradual increase in FM1-43 fluorescence for over the next five minutes. The kinetics and latencies of these increases varied from one neuron to another but usually maintaining a sigmoidal shape in one or two steps. Neurons stimulation in the presence of colchicine to uncouple microtubules, failed to evoke fluorescence increases, thus suggesting that vesicle mobilization depended on tubulin-based motor. The kinetics of the fluorescence increases of individual neurons was accounted for by using a model based on a diffusion equation in the presence of external forces, consistent with the contribution of molecular motors to the mobilization of the vesicle clusters towards the membrane in response to electrical activity. Our data show that somatic serotonin secretion in Retzius neurons depends on a motor-based cytoskeletal mobilization of vesicles induced by electrical activity.



Introducción a las nano-máquinas: motores, bombas y canales

José M. Sancho Departament d'Estructura i Constituents de la Matèria.

Facultat de Física. Universitat de Barcelona. Diagonal, 647. 08028 Barcelona

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular- Semiplenària Todos los organismos usan transporte selectivo para disponer de sustancias específicas en lugares apropiados a todas las escalas, desde la molecular a la ecológica. Aquí nos vamos a restringir a aquellos elementos involucrados en el transporte a escala celular o menor. Las máquinas o mecanismos empleados en el transporte activo y/o selectivo pueden clasificarse en tres grandes grupos: motores [1-6], bombas [7,8] y canales (conductos) [9-11] moleculares. El ejemplo más estudiado de motor transportador es la kinesina, que es capaz de transportar vesículas llenas de algún componente químico a grandes distancias usando como vía microtúbulos de tubulina y consumiendo ATP que está disponible en el medio. Las bombas moleculares son uns proteínas de membrana que de forma activa transportan una molécula específica a través de dicha membrana, contra el gradiente de concentración y/o potencial eléctrico de la membrana. Naturalmente se necesita un aporte de energía que fundamentalmente proviene de la hidrólisis del ATP. Los conductos o canales son simples poros que se abren y cierran y dejan pasar selectivamente algún tipo de molécula en la dirección del gradiente de dichas moléculas. Aunque en principio pudiera parecer que no van a necesitar energía, también han de consumirla pues es necesaria al menos durante el proceso de cierre [10].

Fig.1 a) Motor rotatorio F0-F1-ATP-ase que funciona reversiblemente bien produciendo

ATP usando el flujo de iones a través de la membrana, o consumiendo ATP y bombeando iones. b) Representación de un canal selectivo. Estas máquinas están compuestas de una o varias proteínas ensambladas y realizan su función en el ambiente fluctuante debido a la temperatura. Su funcionamiento es muy complejo pero necesariamente han de cumplir las leyes más elementales de cualquier máquina al operar con variables como: transformación y balance de la



energía, disipación, eficiencia, fuerza, trabajo, potencia, desplazamientos mecánicos, potencial de membrana, potencial químico y energía química. Todo ello hace que entender su funcionamiento sea una aventura excitante llena de sorpresas. Una buena razón para su estudio cuantitativo es la gran abundancia de información física experimental: fuerzas, energía, velocidad, desplazamientos y concentración de ATP. Finalmente hay que destacar el hecho de que algunos de estos mecanismos pueden construirse y operarse artificialmente en el laboratorio [7,9,11]. Una forma de abordar este problema es mediante la modelización de la máquina con un mínimo de ingredientes o grados de libertad e interacciones para lograr explicar primero los datos experimentales y posteriormente predecir el resultado de experimentos nuevos. En esta comunicación presentaremos diferentes tipos de modelizaciones y su estudio analítico para algunas nano-maquinas con suficiente información experimental que permita contrastar la adecuación de cada tipo de modelo.

Investigación financiada por el MEC, proyecto FIS2006-11452-C03-01. _____________________________________________________________________ 1 M. Schliwa ed. , “Molecular Motors”, Wiley-VCH (2003). 2 C. Bustamante, D. Keller and G. Oster, “The physics of molecular motors”, Acc.

Chgem. Res.34, 412(2001). 3 P. Reimann, “Brownian motors: noise-transport far from equilibrium”, Phys. Rep.361,

57(2002). 4 A. Gómez-Marín and J.M. Sancho, “Ratchet, Pawl and Spring Brownian Motor”,

Physica D216, 214(2006) 5 A. Ciudad and J.M. Sancho, “Kinesin as an electrostatic motor”, J. Biol. Phys. 32,

455(2006). 6 A. B. Kolomeisky and M. E. Fisher, “Molecular Motors: A Theorist's Perspective”,

Annu.Rev. Phys. Chem.58, 675(2007). 7 T. Y. Tsong and T. D. Xie, “Ion pump as molecular ratchet and effects of noise:

electric activation of cation pumping by Na,K-ATPase”, Appl. Phys.A75, 345 (2002). 8 A. Gómez-Marín and J.M. Sancho, “A Brwonian pump driven by a white-noise

flashing ratchet”, Phys. Rev. E77, 031108(2008). 9 Ch. R. Martin and S. Siwy, "Learning Nature's Way: Biosensing with Synthetic

Nanopores", Science 317, 331 (2007). 10 D.C. Gadsby, P. Vergani and L. Csanádu, "The ABC protein turned chloride channel

whose failure causes cystic fibrosis", Nature 440, 477 (2006). 11 A. Koçer. M. Walko, W. Meijberg and B- L- Feringa, “A light-Actuated Nanovalve

Derived from a Channel Protein, “ Science 309, 755 (2005).



Optical nano-tools to elucidate cell membarne compartmentalization

T.S. van Zanten, R. Diez-Ahedo, O. esteban, D. Normanno, M.F. Garcia-Parajo Sinel Molecule BioNanoPhotonics group, IBEC-Institut de Bioenginyeria de Catalunya,

Barcelona, Spain

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular- Semiplenària The ability to study the structure and function of cell membranes and membrane

components is fundamental to understanding cellular processes. This requires the use of methods capable of resolving structures with nanometer-scale resolution in intact or living cells. Although fluorescence microscopy has proven to be an extremely versatile tool in cell biology, its diffraction-limited resolution prevents the investigation of membrane compartmentalization at the nanometer scale. In our group we are applying a combination of near-and far-field optical techniques equipped with single molecule detection sensitivity to gain deeper insight on the spatio-temporal organization of the cell membrane at the nm scale. On the one hand, Near-field scanning optical microscopy (NSOM) combines both enhanced spatial resolution and simultaneous measurement of topographic and optical signals.1 Because of the very small near-field excitation volume, background fluorescence from the cytoplasm is effectively reduced, enabling the visualization of nano-scale domains on the cell membrane at physiologically relevant packing densities.2,3 On the other hand, epi/TIRF microscopy can provide exquisite temporal information of the cell membrane at the level of single molecules.

In this contribution we will show our current efforts towards the investigation of “lipid rafts” as local organizers of the cell membrane using NSOM imaging in aqueous conditions on intact cells. Lipid rafts (domains within the membrane enriched in cholesterol and glycosphingolipids) are believed to play a key role in many membrane related processes like immune cell signaling and viral entry. Their existence is however rather controversial, since evidence for the presence of lipid rafts in native cell membranes can only be obtained via indirect methods.4 We have used single molecule NSOM to investigate the nano-scale organization of both lipid and protein domains on cells of the immune system. Most recent results will be presented and discussed on the basis on distinct nano-scale compartmentalization.

Furthermore, we will show most recent results concerning the spatio-temporal organization of the adhesion receptor LFA-1 on living monocyte cells. Using epi/TIRF microscopy in combination with micro-fabricated biofunctionalized patterned surfaces we have discovered that the dynamics and functional binding of LFA-1 to its ligand ICAM-1 is determined by both the conformation sate of LFA-1 and its spatial distribution on the cell membrane.5 These studies will shed light on the role of affinity vs. avidity of LFA-1 to its ligand ICAM-1 on a single molecule basis.

4 F.de Lange, et al. “Cell biology beyond the diffraction limit: near-field scanning optical

microscopy”, J. Cell Sci. 114, 4153-4160 (2001). 5 B. de Bakker et al. “Nanoscale organization of the pathogen receptor DC-SIGN

mapped by single molecule high resolution fluorescence microscopy”, ChemPhysChem 8, 1473-1480 (2007).

6 B. de Bakker et al. Nanometer scale organization of the alpha subunits of interleukin-2 and -15 receptors on Kit 225 FT7.10 human T lymphoma cells. J. Cell Sci. 121, 627-633 (2008).

7 L. J.Pike, “Rafts defined” J. Lipid Res. 47, 1597-1598 (2006).



8 R. Diez-Ahedo et al. “Dynamic re-organization of integrin nano-clusters on patterned ligand surfaces”, submitted.



Design of holographic optical tweezers for application in single

molecule experiments Jordi Andilla (1), Michelle S. Roth (1), Estela Martín-Badosa (1), Sara de Lorenzo (2), Felix Ritort (2),

Mario Montes-Usategui (1), Artur Carnicer (1) (1) Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona

(2) Departament de Física Fonamental, Universitat de Barcelona

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular-Oral Optical Tweezers (OT) have become an important tool to study and understand physical

properties of biomolecules in single-molecule experiments. Several improvements have been made in order to maximize the versatility of OT, like adding rotating mirrors or acoustical optical deflectors to steer multiple optical traps. Introducing a Spatial Light Modulator (SLM) into the OT system adds the possibility to holographically modify the laser beam that generates the trap. This technique is also known as Holographic Optical Tweezers (HOT).

Building a HOT system that can be used for biophotonic experiments, where trap stiffness and precision are of great importance, demands accurate control of many parameters. In this study we show that preliminary use of software to model the whole HOT system can help to find the correct design that meets all the conditions and constraints. A full simulation of the optical system has been carried out using the ZEMAXTM package. All the lenses in the system are achromatic doublets from the Thorlabs stock lens catalogue that is already included in ZEMAX. We modelled the microscope objective in ZEMAX from the data provided by Nikon in patent 7262922.1 All the relevant information (surface radii, lens distances, diameters and glasses) has been included in order to achieve a realistic simulation of the whole system.

Our experimental setup is sketched in Fig. 1. The beam of a continuous-wave 1064 nm ytterbium fibre laser (IPG Laser GmBH, Pmax=5 W) is expanded by a telescope, consisting of lenses L1 and L2, and illuminates a phase-only SLM (Hamamatsu X10468-03). A second telescope (lenses L3 and L4) is used to reduce and fit the beam to the entrance pupil of the microscope objective. The light enters the microscope (Nikon Eclipse TE-2000 inverted microscope) via the fluorescence port, where a dichroic mirror (DM) deflects the beam to the objective (NA1.2 60X Nikon water immersion objective) and simultane-ously allows the user to observe and record the experiments with a camera.

The traps we obtain show very low aberrations, making this HOT system an appropriate tool for various biophysical experiments.

The single-molecule experiment presented here is the DNA overstretching experiment.2

This experiment has very well known behaviour and well determined characteristics, making it suitable as a test. It uses a polystyrene bead, functionalized to be attached to DNA, which is captured with the laser



trap and moved to the tip of a micropipette, where it is held fixed by air suction. A second polystyrene bead with DNA attached is trapped by the OT. By moving the trap relative to the pipette the two beads approach each other until a connection is established between the free end of the DNA molecule and the bead in the micropipette. Increasing the distance between the two beads will stretch the DNA strand (see Fig. 2). Because of the harmonic potential given by the OT, the force applied by the trap is directly proportional to the deviation of the second bead respect to the centre of the trap. This distance can be measured with a Quadrant Photo Diode (QPD) using standard Back Focal Plane Interferometry.3

In order to perform the viability study the same system is used in two different ways. In the first case the whole chamber is moved from the initial state to a forced state (as is done in non-holographic tweezer set-ups). In the second case the chamber remains static and the optical trap is moved holographically. By calibrating the position of the chamber and the optical trap respectively, we can monitor this displacement with the signal given by the QPD to compare the results of the two experiments. Sensitivity, resolution, and stiffness changes are critical characteristics that will be discussed. Such characteristics must be taken into account when using HOT for single-molecule experiments.

Acknowledgements: This research was funded by the

Spanish Government R+D Agency through the projects NAN2004-09348-C04-01, NAN2004-09348-C04-03 and FIS2007-65880.

9 US patent #7262922 10 F. Ritort, S. Mihardja, S. B. Smith, and C. Bustamante, "Condensation Transition in DNA-

Polyaminoamide Dendrimer Fibers Studied Using Optical Tweezers", Phys. Rev. Lett. 96(11), 118301 (2006)

11 F. Gittes and C. Schmidt, "Interference model for back-focal-plane displacement detection in optical tweezers", Opt. Lett. 23(1), 7 (1998)



Explorant els mecanismes del trànsit vesicular en cèl·lules vives

mitjançant pinces òptiques A.Farré, C.López-Quesada, J.Andilla i M.Montes-Usategui

Grup de Recerca en Òptica Física, Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de Barcelona Martí i Franquès 1, Barcelona 08028, Espanya

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular-Oral Les cèl·lules eucariotes es troben compartimentades en diferents espais funcionals (aparell de Golgi, reticle endoplasmàtic, etc.) separats del citosol per membranes bilipídiques que actuen com a parets intracel·lulars. Les molècules transportades entre aquests espais, empaquetades en vesícules (50-500 nm), són desplaçades per l’acció de diferents proteïnes motores: quinesina-1, miosina-V i dineïna citoplasmàtica1. El trànsit vesicular es porta a terme a través dels microfilaments d’actina i dels microtúbuls, constituents principals del citoesquelet, que actuen com a suport per al desplaçament dels motors. El desenvolupament de noves tècniques biofísiques, com ara les pinces òptiques o la microscòpia de forces atòmiques, ha afavorit l’aparició d‘un gran nombre d’estudis, realitzats in vitro, sobre les propietats mecano-químiques que presenten les diferents proteïnes motores2. Per un altre costat, els avenços en microscòpia de fluorescència han permès la comprensió del transport del membrana des d’un punt de vista molecular. A més, s’han determinat gran part de les funcions que desenvolupen cadascuna de les proteïnes motores, així com també, les relacions existents entre aquestes. L’objectiu principal del treball presentat és l’estudi de la interacció entre les vesícules i el citoesquelet a l’interior de cèl·lules vives utilitzant pinces òptiques hologràfiques. L’atrapament de vesícules in vivo ens permet caracteritzar el procés de transport mesurant les forces implicades, obtenint alguns dels trets d’aquest procés, com ara el nombre de motors, o bé, informació sobre la reestructuració dels microfilaments i els microtúbuls.

Figura 1: Detall de la manipulació de vesícules, visualitzades amb microscòpia de contrast de fase, a l’interior d’una cèl·lula NG108 mitjançant pinces òptiques hologràfiques.

Les trampes òptiques són feixos de llum fortament focalitzats que permeten la captura de partícules micromètriques mitjançant la transferència del moment de llum3. Aquest intercanvi de moment dóna lloc a una força en el rang dels piconewtons. Amb l’aplicació de l’holografia digital és possible la implementació de múltiples trampes. Utilitzant un modulador espacial de llum com a suport per als hologrames que defineixen el patró de trampes resultants, és possible tant la projecció de trampes



amb configuracions arbitràries en tres dimensions com la possibilitat de treballar amb trampes dinàmiques4. D’altra banda, s’han desenvolupat diferents estratègies que permeten la mesura de les forces exercides2,5. Aquesta eina ha esdevingut especialment rellevant en estudis biològics, l’aplicació d’un feix làser infraroig permet la captura i el desplaçament de mostres biològiques de forma no destructiva. A més a més, és possible la calibració d’aquestes trampes òptiques per tal d’obtenir una mesura de les forces aplicades, de forma que el focus de llum esdevé un dinamòmetre que permet l’estudi de fenòmens nanomecànics diversos. La figura 2 mostra el muntatge experimental utilitzat en les mesures a realitzar. El feix làser (Nd:YVO4, λ=1064 nm), expandit i col·limat mitjançant la lent L1, és reflectit pel modulador espacial de llum (Hamamatsu X10468-03). Tot seguit, un telescopi (no visible a la figura 2) ens permet adaptar el diàmetre del feix a la pupil·la d’entrada de l’objectiu del microscopi. Incidint a través del port d’epifluorescència del microscopi (Nikon Eclipse TE2000-E), l’objectiu (Nikon Ph3 CFI Plan Fluor DLL 100x oil, 1.3 N.A) focalitza el feix al pla de la mostra. Per una altre banda, un condensador (Nikon DIC oil 1.4 N.A) ens permet col·lectar la llum que interactua amb la mostra, a partir de la qual podem determinar la força aplicada sobre ella.

Figura 2: Dispositiu experimental utilitzat per la manipulació de vesícules i la mesura de forces. Per al treball s’han utilizat cèl·lules NG108 de fenotip neuronal (Figura 1), línia cel·lular híbrida neuroblastoma-glioma, que són cultivades segons els protocols estàndards. Durant el procés de mesura, la temperatura es manté a 37 ºC gràcies a una resistència tèrmica que escalfa l’objectiu. Agraïments: Aquest treball és finançat pels Ministeri d’Educació i Ciència pels projectes FIS2007-65880 i NAN2004-09348-C04-03.

12 R. Mallik & S. P. Gross, “Molecular motors: strategies to get along”, Current Biology, 14,

971-972 (2004). 13 K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp & S. M. Block, “Direct observation of kinesin

stepping by optical trapping interferometry”, Nature, 365, 721-727 (1993). 14 A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm & S. Chu, “Observation of a single-beam gradient

force optical trap for dielectric particles”, Optics Letters, 11, 288-290 (1986). 15 M. Reicherter, T. Haist, E. U. Wagemann & H. J. Tiziani, “Optical particle trapping with

computer generated holograms written on a lyquid-crystal display”, Optics Letters, 24, 608-610 (1999).

Modulador

L1Expansor

Microscopi

Condensador

Sistema de mesura



16 S. B. Smith, Y. Cui & C. Bustamante, “Optical-trap force transducer that operates by direct measurement of light momentum”, Methods in Enzymology, 361, 134-162 (2003).



Exploring Protein-stretch Transitions by Using Optical Tweezers:

Barnase and an Unstructured Protein C. Larroy (1), A. Mossa (1) and F. Ritort (1, 2)

(1)Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Av. Diagonal, 647, 08028 Barcelona, Spain

(2) CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Instituto de Sanidad Carlos III, Madrid, Spain.

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular-Oral

The The correct folding of biological molecules is essential for the biological functions that maintain the cellular structure and metabolism. Examples are the different protein activities, the translocation processes in which proteins unfold-refold and the regulation of protein concentration. Until recently, the folding-unfolding processes have been studied in bulk experiments by changes in temperature or denaturant concentration. Optical tweezers allow us to investigate these processes by looking at individual molecules one at a time.1. Furthermore, mechanical force provides a novel approach to investigate the folding-unfolding kinetics of proteins in real time. To a certain extent force induced unfolding is an important process also in vivo, given the fact that there is evidence that mechanical force is directly involved in such process. At present we are optimizing the necessary protocols to manipulate individual proteins,2 using the optical tweezers available in our laboratory.3 We have synthesized some molecular constructions for two proteins with a very different three-dimensional structure. First, the well-known barnase, a protein of the ribonuclease family with a single domain tertiary structure. And �-synuclein, which belongs to the class of native unfolded proteins that means that a high percentage of its structure remains unfolded. Under certain conditions, this protein has a strong contribution of �-helix in its native structure. Both proteins were synthesized and linked to molecular dsDNA handles of short (40 base pairs) and long (approximately 700 base pairs) lengths. We have carried out pulling experiments and measured the force-extension curves for both proteins. For barnase we have found that it folds/unfolds in a cooperative but irreversible manner. By measuring the breakage (unfolding) force distributions at different pulling speeds we can characterize the thermodynamics and kinetics of barnase. For �-synuclein we observed reversible force-extension curves suggesting that �helices are very compliant structures. Finally, we have explored the influence of the length of the handles (long versus short) on the results.

1 C. Cecconi, E.A. Shank, F.W. Dahlquist, S. Marqusee, C. Bustamante. “Protein-DNA chimeras for single molecule mechanical folding studies with the optical tweezers” Eur. Biophys. J., ahead of print (2008) 2 H. Dietz, M. Bertz, M. Schlierf, F. Berkemeier, T. Bornschlögl, J.P. Junker, M. Rief. “Cysteine engineering of polyproteins for single-molecule force spectroscopy” Nature Prot., 1, 80-84 (2006) 3 J.M. Huguet, N. Forns, S.B. Smith, C. Bustamante, F. Ritort. “Deriving nearest neighbor base-pairing interactions from DNA unzipping experiments using optical tweezers” Preprint (2008)



High-time resolution folding kinetics in DNA

S. De Lorenzo (1), F. Ritort (1, 2)

(1)Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Av. Diagonal, 647, 08028 Barcelona, Spain

(2) CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Instituto de Sanidad Carlos III, Madrid, Spain.

Sessió nº1: Biofísica molecular i cel.lular-Oral Miniaturized optical tweezers are a new generation of optical tweezers that can measure and exert forces on single molecules with unprecedented accuracy. The instrument we have at the Small Biosystems lab has been used to investigate the folding and unfolding of DNA hairpins under the action of mechanical force. The finite bandwidth of data acquisition in standard conditions (typically less than 1KHz) limits the temporal resolution of the instrument precluding the detection of short-lived states such as intermediate states. To obtain high temporal resolution we have improved the methodology and the acquisition data system in our instrument. In particular we have carried out hopping experiments in the passive mode to investigate force kinetics in short (20-30 base pairs) DNA hairpins. The lifetimes of the DNA molecules in each of the two states measured under different stretching conditions allow us to obtain the rates of the folding and unfolding states and characterize the molecular free energy landscape. This methodology can be extended to other single molecules (e.g. RNA and proteins).



RESPOSTA BIOLÒGICA A DIFERENTS PROPIETATS SUPERFICIALS

DE BIOMATERIALS J.A. Planell (1), (2), (3), E. Engel (1), (2), (3), E. Salvagni (1), (2), (3), M. Mateos (1), (2), (3), M. Navarro (1), (2), (3), O. Castaño (1), (3), C. Aparicio (4), J.C. Rodríguez (3), (5), A. Aguirre (1), (2), (3) i M. Matotti (1), (2), (3).

(1) Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) (2) Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) (3) Centro Investigación Biomedica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicida (CIBER BBN) (4) University of Minnesota (5) Universidad de Valladolid

Sessió nº2: Bioenginyeria-Semiplenària La substitució, reparació i regeneració de teixits i òrgans danyats o malalts és un dels objectius llargament perseguits en medicina i cirurgia. Actualment la tecnologia mèdica disposa de diferents estratègies, algunes ja ben consolidades, altres en fase de investigació. Pel que fa referència a la substitució i fins i tot reparació, les tecnologies que es podrien anomenar biòniques ofereixen ja certes solucions consolidades amb gran èxit. Aquí es podria parlar de la majoria d’implants i pròtesis, tal com ortopèdics de maluc i genoll, dentals, marcapassos, lents intraoculars, etc. Aquí el repte està en millorar l’eficàcia i l’eficiència d’aquests implants i per tant optimitzar les intercares entre material sintètic i entitats biològiques per tal d’assolir una millor integració i estabilitat de les pròtesis en el teixit circumdant. Més recentment ha aparegut el concepte de regeneració i de medicina regenerativa, que busca regenerar el teixit o òrgan danyat a partir de les cèl·lules mare del propi pacient. Potser l’estratègia més coneguda en aquesta direcció és la que es coneix com a Enginyeria de Teixits, que implica desenvolupar substrats o bastides en les que es cultiven cèl·lules mare del propi pacient, que convenientment estimulades, físicament i/o química en un bioreactor, proliferen, es diferencien i produeixen matriu extracel·lular que acabi generant nou teixit que pot ser implantat en el pacient. Aquest tractarà l’implant com a teixit propi sense rebuig, atesa la naturalesa de les cèl·lules que el constitueixen, mentre el substrat o bastida s’anirà biodegradant a mesura que el teixit creixi. L’altra estratègia rellevant consisteix en desenvolupar materials convenientment funcionalitzats, físicament i química, per tal de senyalitzar i estimular a les cèl·lules mare en els seus nitxos del teixit a regenerar per tal que proliferin, diferenciïn i acabin generant matriu extracel·lular que acabi regenerant el teixit en qüestió. Totes les estratègies descrites requereixen que els materials disposin d’unes superfícies que estimulin l’activitat cel·lular, tant per la integració en el teixit circumdant, com per regenerar el teixit desitjat. De fet, els materials sintètics a utilitzar en totes les estratègies han de tenir propietats adients des del punt de vista màssic o volumètric, però sobretot, atès que són les intercares entre el material sintètic i les entitats biològiques les que marcaran l’èxit final. Així, seran les propietats superficials dels biomaterials les que finalment acabaran governant la resposta biològica, tant a nivell molecular com a nivell de l’organisme. En aquest treball es presenten resultats de dues estratègies: una primera consistent en la funcionalització de superfícies de titani amb una proteïna recombinant de tipus elastina obtinguda per modificació genètica de bacteris i que conté una seqüència de senyalització de tipus RGD per l’adhesió de cèl·lules de tipus osteoblast que afavoreixi la integració òssia, i la segona consistent en la fabricació de bastides de compòsit totalment biodegradable per la regeneració òssia, a base de polímer biodegradable d’àcid polilàctic i vidre biodegradable a base de fosfat de calci. La funcionalització del titani mitjançant la utilització d’un agent d’acoblament tipus silà permet obtenir una capa estable de la proteïna tipus elastina que afavoreix finalment que els octeoblasts cultivats sobre d’aquestes superfícies adoptin una morfologia poligonitzada que es pot considerar com a favorable. Per a la caracterització de la superfície s’han utilitzat diferents tècniques tal com angle de contacte, FTIR, AFM, elipsometria, XPS i OWLS entre d’altres. Les bastides biodegradables s’han elaborat mitjançant dissolució i colada, obtenint esponges amb una porositat al voltant del 94%. S’han sembrat cèl·lules de tipus osteoblast i també cèl·lules mare mesenquimals i s’han estimulat en un bioreactor. S’han fet també assaigs in vivo que han demostrat no només la bona biocompatibilitat del materials, sinó la seva



capacitat d’induir la regeneració òssia. S’ha vist també que les bones propietats d’aquest material venen donades per la seva capacitat angiogènica, atès que afavoreix l’activitat de les cèl·lules endotelials.



Electrical properties of biological membranes at the nanoscale

G. Gomila, J. Toset and L. Fumagall Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), Nanobioelectrical characterization group and Department of

Electronics, University of Barcelona

Sessió nº2: Bioenginyeria- Semiplenària The dielectric constant is an electrical quantity which describes the charge and dipole distribution in a material. It is not only a critical property of thin films, determining the electrical performance of semiconductor devices, but also of fundamental interest in biophysics to elucidate the structure, components and charge dynamics of cell membrane. However, the experimental determination of the dielectric constant of nanoscale systems is extremely complicated due to the small electrical signal to be detected in front of large parasitic. Furthermore, many difficulties arise when trying to precisely measure it on biomolecules due to the soft interface of the biolayer. We implemented a nanoscale capacitance microscope1, a form of current-sensing Atomic Force Microscope (AFM) which probes the nanoscale tip-substrate capacitance. We demonstrated that the extremely high sensitivity of our instrument, down to sub-attoFarad regime, combined with an appropriate theoretical framework2 enables to quantitatively probing dielectric constant3 of thin dielectric films at the nanoscale under dry conditions. We have tested the validity of our system and models on thin films of silicon oxide (Fig.1 ).

Fig. 1: (a.Top) AFM topography image and (b.Top) capacitance image of a nano-structured thin film of silicon oxide used for capacitance measurement at the nanoscale. It consists of a silicon oxide layer of 5 nm thickness with silicon oxide lines deposited over it. Lateral dimension: 500 nm, Thicknesses: 3 nm, 4 nm, 5 nm thick, respectively. Here we report the first measurement of nanoscale dielectric constant of the Purple Membrane monolayer. The power of this technique resides in the ability of quantifying the dielectric constant with lateral spatial resolution well beyond the limit of conventional techniques, such as ellipsometry, reflectance spectroscopy and capacitance metrology. The combination of high-sensitivity electrical measurement with high spatial resolution of AFM opens up the possibility of new non-invasive and label-free methods for investigation of cell membrane structure. In addition to dielectric properties, electronic conduction properties of biomembranes are of interest both from the point of view of developing bioelectric devices and from the point of view of studying electron transport processes in biomolecules. We will present here also results obtained by current sensing AFM on purple membrane (Figure 2).4,5



1 μm

1 μm

Fig. 2: (a) Topographic image and (b) conduction image of a purple membrane patch multilayer (5 nm each layer) taken with the current sensing Atomic Force Microscope showing the insulating nature of the membrane. (c) Current voltage characteristics taken at one point over the membrane patch at different indentation depths displaying a tunnel like characteristics.

17 L. Fumagalli, G. Ferrari, M. Sampietro, I. Casuso, E. Martínez, J. Samitier and G. Gomila, "

Nanoscale capacitance imaging with attofarad resolution using ac current sensing atomic force microscopy", Nanotechnology 17, 4581 (2006).

18 G. Gomila, J. Toset and L. Fumagalli, "Nanoscale capacitance microscopy of thin dielectric films", Journal of Applied Physics (to appear) (2008).

19 L. Fumagalli, G. Ferrari, M. Sampietro and G. Gomila, "Dielectric-constant measurement of thin insulating films at low-frequency by nanoscale capacitance microscopy", Applied Physics Letters, 91, 243110 (2007).

20 I. Casuso, L. Fumagalli, J. Samitier, E. Padros, L. Reggiani, V. Akimov, G. Gomila, "Electron transport through supported biomembranes at the nanoscale by conductive atomic force microscopy", Nanotechnology 18 465503 (2007).

21 I. Casuso, L. Fumagalli, J. Samitier, E. Padros, L. Reggiani, V. Akimov, G. Gomila, "Nanoscale electrical conductivity of the purple membrane monolayer", Physical Review E 76 041919 (2007).



Liquids microprinting through laser induced forward transfer for

miniaturized biosensors preparation P. Serra, M. Duocastella, J.M. Fernández Pradas, J.L. Morenza

Universitat de Barcelona, Departament de Física Aplicada i Òptica, Martí i Franquès 1, E-08028 Barcelona, Spain

Sessió nº2: Bioenginyeria- Semiplenària

Laser-induced forward transfer (LIFT) is a direct-writing technique which allows the deposition of tiny amounts of material from a donor thin film onto a receptor substrate. When LIFT is applied to liquid donor films, the laser radiation affects only a localized fraction of the liquid, thereby impelling the unaffected portion towards the receptor substrate1. Thus, transfer takes place with no melting or vaporization of the deposited fraction and, in this way, LIFT can be used to successfully print complex materials like inorganic inks and pastes, biomolecules in solution2,3, and even living cells and microorganisms. In addition, and for a wide range of liquid rheologies, the material can be deposited in the form of circular microdroplets; this provides LIFT with a high degree of spatial resolution leading to feature sizes below 10 µm, and making it competitive in front of conventional printing techniques. In this presentation, a revision of the main achievements of the LIFT of liquids is carried out, correlating the morphological characteristics of the generated features with the results of the study of the transfer process. Special emphasis is put on the characterization of the dynamics of liquid ejection, which has provided valuable information for the understanding of microdroplets deposition. Thus, new time-resolved imaging analyses have shown a material release behavior which contrasts with most of the previously made assumptions4, and that allows clarifying some of the questions open during the study of the LIFT technique.

22 C.B. Arnold, P. Serra, A. Piqué, “Laser direct-write techniques for printing of complex materials”, MRS Bulletin 32, 23-31 (2007).

23 P. Serra, M. Colina, J.M. Fernández-Pradas, L. Sevilla, J.L. Morenza. “Preparation of functional DNA microarrays through laser induced forward transfer”, Applied Physics Letters 85, 1639-1641 (2004).

24 M. Colina, P. Serra, J.M. Fernández-Pradas, L. Sevilla, J.L. Morenza. “DNA deposition through laser induced forward transfer”, Biosensors and Bioelectronics 20, 1638-1642 (2005).

25 M. Duocastella, J.M. Fernández-Pradas, P. Serra, J.L. Morenza, “Jet formation in the laser forward transfer of liquids”, Applied Physics A (2008), DOI 10.1007/s00339-008-4781-y.

substrate

thin film

objective

laser beam

support

Figure 1: Laser induced forward transfer scheme.



Protein nanopatterned surfaces by means of Dip-pen

Nanolithography S. Oberhansl (1), X. Sisquella (1), E. Martínez (1,3), J. Samitier (1,2,3)

(1) Nanobioengineering group,IBEC, PCB, c/ Baldiri Reixac 10-12, Barcelona; (2) Department of Electronics, UB, c/ Martí i Franquès 1, Barcelona; (3) Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine

(CIBER-BBN), Barcelona

Sessió nº2: Bioenginyeria:-Semiplenària

Introduced in 1999 by C. Mirkin et al. 1, Dip-pen Nanolithography very fast proved to be a powerful tool for the chemical patterning of surfaces with nano size resolution (smallest linear features 15nm 2). Among the many possible applications of Dip-pen 2 we are focusing our efforts on the deposition of different proteins and oligonucleotides on gold and silicon surfaces in order to use the fabricated substrates in the fields of biosensors or cell biology. In particular, we are working on the optimization of the deposition of a biotin containing ink, which is very interesting due to the highly sensitive molecular biorecognition mechanism between biotin and streptavidin 3. This allows us to investigate the patterned surfaces after incubation of the surface-bound biotin with labeled streptavidin via fluorescence microscopy (structure feature >1micron) or in case of smaller features via SEM (in this case streptavidin labelled with gold nanoparticles is used). The so far used substrate is ultra-flat gold 4 due to its easy accessibility and its straightforward use, especially the not existing need of an activation step which might be a time limit for large scale Dip-pen experiments. However, our work includes the use of substrates different than gold, especially biocompatible ones like polymers which are challenging due to their decreased stiffness. Furthermore, inks containing other proteins and oligonucleotides are tested in order to amplify the available database of inks.

26 R.D. Piner, “’Dip-Pen’ Nanolithography”, Science, 283, 661-663 (1999). 27 D.S. Ginger, “The Evolution of Dip-pen Nanolithography”, Angew. Chem. Int. Ed. 43, 30-45

(2004). 28 E.A. Bayer, „Affinity cytochemistry: The localization of lectin and antibody receptors on

erythrocytes via the avidin-biotin complex”, FEBS Lett., 68, 240-244 (1976). M. Hegner, “Ultralarge atomically flat template-stripped Au surfaces for scanning probe microscopy” Surf. Sci., 291, 39-46 (1993).



Interdigitated nanoelectrodes for (bio)sensing

Irene Fernandez-Cuesta, César Fernández-Sánchez, Antoni Baldi, Xavier Borrisé and Francesc Pérez-Murano Centro Nacional de Microelectrónica - Barcelona (CNM-IMB, CSIC)

Sessió nº2: Bioenginyeria- Semiplenària

Recently, the development of new technologies for nanofabrication allow the realization of miniaturized (bio)sensors for the detection and quantification of a wide range of species [1]. The fact that the sensing structures have a similar size compared to the element to be detected (as for example a single biomolecule) leads to an improvement of the sensitivity and so to a decrease in the quantity of analyte needed for the analysis as well as an improve of the response time. One type of sensor that is specially interesting for its versatility and sensitivity are those based in nanoscaled interdigitated electrodes.

Interdigitated nanoelectrodes (nIDEs) consist on two arrays of electrodes with comb shape which, under proper bias polarization, can be used for (bio)chemical sensing by measuring a change of impedance or an electrochemical current. In this work we present the fabrication process of a complete device and preliminary results of its electrical and functional characterization. There are different operation modes for nIDEs: (i) measurement of the electrochemical current generated by chemical reactions occurring in the solution [1], and (ii) study of the impedimetric response of the system when the nature of the solution changes [2] or when nanoparticles are deposited in between the digits [3].

Fabrication. To combine micro and nanometer size features, the connection pads and lines are first fabricated by UV lithography, metallization (Ti/Au, 7nm/60nm) and lift-off. A second lithography level consists of electron beam lithography to define the digits, followed by metal evaporation and lift off. Figure 1 shows results of the fabrication process: the whole chip, fabricated in gold onto a SiO2/Si substrate (a), and a detail of the digits (b), which are 180 nm wide (230 nm period). At this point, these strcutures can be used already as sensing devices or as master to fabricate stamps for nanoimprint lithography (NIL). In the second case, a reactive ion etching (RIE) process is further performed. Then, the fabrication of subsequent samples is easier and faster, since the two lithography levels (UV and e-beam lithography) are substituted by one single NIL step. Once the electrodes have been fabricated, they are passivated with PMMA, leaving open only the large pads for external connections and the areas with the digits. The final step is the bonding to a printed circuit board (PCB), and encapsulation with epotec®. As a result, the sensor is ready to be connected to an external electronic system and the electrodes can be immersed in a liquid media (Figure 1 (c)).

Characterization. Electrochemical measurements[1]. The sensors have been tested and calibrated in

solutions of Fe(CN)63- in KNO3 (1mM), and in dopamine in phosphate solution (pH 7.4). For

this, the sensor is immersed in solutions with different concentrations of the active species and the electrochemical current coming from the red/ox reactions measured for applied potentials of 0V and 0.5V respectively, showing a sensitivity of ~30nA/mM, even for concentrations as low as 10-5M.

Impedimetric measurements[2]. The electrodes have been tested and calibrated in solutions with different conductivity (aqueous NaCl), and in liquids with different permitivity (εr) (acetone, ethanol, THF, hexane, etc). An AC voltage is applied to the electrodes and the total impedance of the media measured as a function of the frequency. In the first case the change from the low to the high frequency capacitance depends on the concentration of Na+ Cl- ions in the aqueous media. In the second case it is observed that the higher εr of the liquid, the higher the capacitance at high frequency.



Impedimetric measurements have been performed to detect the presence of nanoparticles of different nature. Figure 2 shows the respective results for the measurement of the total capacitance of the system as a function of the frequency, depending on the presence of the nanoparticles and their concentration.

In the first case (Figure 2 (a) and (b)), latex beads (300nm diameter) 1% in vol. were used, as well as silica nanoparticles of the same size, showing both similar results. As shown in the scheme, the beads precipitate and stay in-between the digits (SEM image in (a)), reducing the effective area of the electrode, so the total capacitance detected by the sensor is reduced in proportion to the number of beads. Figure 2(b) shows the experimental results. The detection of insulating nanoparticles is a challenge itself, due to their non-active nature. The obtained results show that IDEs provide a convenient platform for their detection and quantification. In the second case, 15 nm diameter gold nanoparticles were used. We observe an increase in the total conductivity and capacitance as a function of their concentration, as shown in Figure 2 (c). In the following experiments, functionalization of the nanoparticles and the electrodes will allow selective recognition of species attached to the particles.

Proyects NILSIS and Consolider NanoBioMed are gratefully acknowledged.

References: [1] K. Aoki et al., J. Electroanal. Chem, 256 (1988) 269 [2] R. de la Rica et. al., Appl. Phys. Lett. 90, 174104 (2007) [3] L. Malaquin et al. Nanotechnology, 16, (2005) S240–S245

Figures:

Figure 1. (a) SEM image of the digits and (b) optical image of the IDEs, fabricated in gold on a SiO2/Si substrate. (c) encapsulated chip, bounded to a PCB strip, ready to be connected to external electronic equipments for characterization also in liquid media.

Figure 2. Results of the detection of nanoparticles by impedance spectroscopy with the IDEs. (a) SEM image of latex beads (φ=300nm), that precipitate in-between the digits. These insulating nanoparticles reduce the total capacity of the system, as observed in (b). (c), results for the detection of 15nm gold nanoparticles in aqueous media, for different concentrations. This graph can be used to determine the concentration of an unknown solution. Concentrations as low as 5·10-4 % in vol. can be detected.

(a) (b) (c)

DI waterDI waterDI water

1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 78 . 0 e - 1 2

1 . 3 e - 1 1

1 . 8 e - 1 1

2 . 3 e - 1 1

2 . 8 e - 1 1

F r e q u e n c y ( H z )

n ID E0 4 - H 2 O d e s h r - t 0 . zn ID E0 4 - 1 % - 3 0 0 n m - s e c y d i - t 0 . z

DI water

1% np

28

18

8

C (p

F)

Frecuency (Hz)103 104 105 106 1071 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 7

8 . 0 e - 1 2

1 . 3 e - 1 1

1 . 8 e - 1 1

2 . 3 e - 1 1

2 . 8 e - 1 1

F r e q u e n c y ( H z )

n ID E0 4 - H 2 O d e s h r - t 0 . zn ID E0 4 - 1 % - 3 0 0 n m - s e c y d i - t 0 . z

DI water

1% np

28

18

8

C (p

F)

Frecuency (Hz)103 104 105 106 107

DI water

1% np

28

18

8

C (p

F)

Frecuency (Hz)103 104 105 106 107

Latex nanoparticles φ=300nm

103 104 105 106 107

10

15

20

25

0.01%0.001%

H2O

Substrate (Air)

0.1%

CTo

tal (p

F)

Frequency (Hz)

np, 1% vol.

Gold nanoparticles φ=15nm



Micro patterned PMMA substrates influence glial cell phenotype

Mattotti M(1,2), Planell JA(1,2,3), Alcantara S(4), Engel E(1,2,3) (1) Dpt. Materials Science and Metallurgical Engineering. Technical University of Catalonia – UPC

(2) Institut for Bioengineering of Catalonia – IBEC

(3) Centro de Investigación Médica en Red. Biomecánia, Biomateriales y Nanotecnología – CiberBBN (4) Dpt. of Pathology and Experimental Therapeutics, Medical School. University of Barcelona – UB Sessió nº2: Bioenginyeria- Oral Introduction: It has been documented that topographic cues of the substrate have a

direct effect on growth, morphology and differentiation on cells1. During CNS development radial glia acts as neural stem cells and as substrate for migration of young neurons. After the end of neurogenesis radial glia transform into astrocytes. In the adult CNS, the lack of regeneration after injury is principally due to the formation of a non-permissive glia scar, mainly composed by astrocytes. The general aim of this work is to asses the influences of micro-patterns on the growth, orientation and differentiation of glial cells, in attempt to induce mature astrocytes to adopt a radial glia-like phenotype, more permissive for neuronal regeneration. We used PMMA substrates presenting patterns in a micrometric scale to achieve the growth and orientation of glial cells.

Materials and Methods: Free-standing PMMA matrices were patterned with 2, 5, 10, 20 µm wide lines or dots by nanoimprint lithography (NIL)2. The films were then used for seeding glial cells extracted from cerebral cortex of new born mice. After one week cells were fixed and stained by immuncytochemistry with GFAP (mature astrocyte marker), nestin (radial glia marker) and TOPRO-3 (cell nucleus). Pictures were taken by confocal microscopy and analyzed with the aid of the ImageJ software3.

Results and Discussion: Line patterned substrates shown to be more suitable for our purposes. Indeed, on flat and post patterned substrates attached but grown in a disorganized fashion while when cultured on line patterned films, glial cells aligned following the pattern, showing a radial- glia like phenotype (Fig. 1). Glia achieved a better alignment on smaller line patterns (2μm lines: 76±7%; 5μm lines 72±8%) than on bigger patterns (10μm lines: 57±16; 20μm lines: 53±7%).

Analysis by immunocytochemistry sown that patterns of 2 and 5 μm lines induce a decrease in the expression of the mature astrocyte marker GFAP and in his colocalization with the radial glia marker nestin, suggesting that topographical cues in the range of microns induce a radial glia-like phenotype (Fig 2).

Figure 1: Confocal images of mouse cortical glial cells cultured on patterned PMMA. A. No pattern B. 2μm lines C. 2μm posts. Green: GFAP; red: nestin; blue: TOPRO-3.

Figure 2: GFAP and nestin expression and colocalization of glial cells grown on PMMA patterned with lines of different dimensions.



Conclusions and outlook: PMMA substrates patterned with 2 and 5 µm lines induce glial cells alignment and a radial glia-like phenotype, more permissive for neural growth. Those findings are encouraging for the development of scaffolds for helping adult CSN regeneration.

29 J.Y. Lim, H.J. Donahue, “Cell Sensing and Response to Micro- and Nanostructured Surfaces

Produced by Chemical and Topographic Patterning” Tissue Engineering, vol 13(8) pag (1879-1891) 2007.

30 C.A.Mills, E.Martinez, A. Errachid, G. Gomila, A. Samsó, and J. Samitier, “Small Scale Structures: The Fabrication of Polymeric Nanostructures for Biomedical Applications using Pattern Replication Techniques” Contributions to science, vol (3), pag (47-56) 2005.

31 W.S. Rasband, “ImageJ”, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, http://rsb.info.nih.gov/ij/, 1997-2004.



Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy for Detection of Olfatory

Receptor L. Diéguez (1), M. Mir,(2) S. Rodríguez-Segui (1,2), A. Errachid (2,3), E. Martínez (2,3), J. Samitier (1,2,3)

(1) Department of Electronics, University of Barcelona, Martí i Franquès 1, 08028 Barcelona, Spain. (2) Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), Baldiri Reixac 10-12, 08028 Barcelona, Spain.

(3) Networking Research Center on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER-BBN), Barcelona, Spain.

Sessió nº2: Bioenginyeria- Oral Currently, the electronic noses, based on electronic sensors, have significant limitations

regarding sensitivity, reliability and selectivity, amongst others. These limitations are causing troubles when working in applications such as food safety, disease diagnosis, security, enviroment...

As shown in the SPOT-NOSED project, it is possible to use olfactory receptors (receptor proteins located at the plasma membrane of olfactory neurons) as sensing part of electronic noses.1 The better performance expected for these bioelectronic noses (excellent sensitivity, specificity and detection limit) predict their potential applications in many domains: medical diagnosis, food or cosmetics quality control, explosives detection and environment. The bioelectronic nose concept includes a complex approach containing the following steps: identify olfactory receptors (ORs) that recognize specific odorants of interest, clone them from the identified DNA sequences, express these Ors in cells, prepare lipid nanovesicles (nanosomes) from these cells that carry the ORs on their surface and finally immobilize the nanovesicles on a biosensor. The proof-of-concept for sensing the immobilized nanovesicles have been already previously achieved by using some different sensor techniques. Quartz Crystal Microbalance (QCM), Surface Plasmon Resonance (SPR) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) are well known and provide an easy functionalization of the sensor chip gold surface and provide information about the success of the biomolecules adsorption on the surface. Moreover, analyzing the impedance spectrum it is possible to get signals associated to each volatile compound (odorant) allowing us to discriminate different odorants. Recently, within the SPOT_NOSED project, the viability of the OR based bioelectronic nose was already demonstrated. A self-assembled multilayer (SAM) based on q mixed MHDA-Biotinyl PE self-assembled monolayer followed by the addition of a biotin-avidin system was built up on the gold electrode of a QCM, which was used to monitor the deposition. An OR, I7 OR, was then immobilized on the SAM.2 (Fig. 1) Figure 1: Self Assembled Multilayer formation



Also, another attempt was the immobilization of Rhodopsin, used as receptor enriched membrane fraction, onto gold electrode by a strategy based on SAM. It is composed of a mixed self-assembled monolayer formed by MHDA and biotinyl-PE, followed by a biotin-avidin system which allows binding of biotinylated antibody specific to rhodopsin. The immobilization was thus monitored with EIS. In addition, the specificity and sensitivity of this SAM system to the presence of rhodopsin were investigated. No effect was observed when the system was in contact with OR I7 in membrane fraction used for control measurements.3

The Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy instrument (OWLS, Microvacuum, Hungary) is a novel system that incorporates an electrochemical cell to a grating coupler optical biosensor. In this way, this system allows obtaining electrochemical measurements such as cyclic voltammetry or impedance spectroscopy while monitoring the immobilization kinetics through optical measurements with similar accuracy than SPR. Moreover, the software generates curves not only for the refractive index change, but also for the thickness of the adsorbed film and its mass, exhibiting a very high sensitivity of 1ng/cm2. The system keeps this sensitivity measuring changes at the sensor surface closer than 200 nm

The purpose of this work is to use the high potential of the OWLS technique getting a better insight in the real electrical processes taking place between the odorant molecules and the olfactory receptor by combining electrochemical and optical high-resolution data.

32 J.Minic, J. Grosclaude, M.-A. Persuy, J. Aioun, R. Salesse and E. Pajot-Augy, “Quantitative

assessment of olfactory receptors activity in immobilized nanosomes: a novel concept for bioelectronic nose” Lab on a Chip, pp. 1026-1032 (2006)

33 S. R. Seguí, M.Pla, J. Minic, E. Pajot-Augy, R. Salesse, Y. Hou, N. Jaffrezic-Renault, C. A. Mills, J. Samitier and A. Errachid, “Detection of Olfactory Receptor I7 Self-Assembled Multilayer Formation and Immobilization Using a Quartz Crystal Microbalance” Analytical Letters, vol. 39, pp. 1735-1745 (2006)

34 Y. Hou, S. Helali, A. Zhang, N. Jaffrezic-Renault, C. Martelet, J. Minic, T. Gorojankina, M.-A. Persuy, E. Pajot-Augy, R. Salesse, F. Bessueille, J. Samitier, A. Errachid, V. Akimov, L. Reggiani, C. Penneta and E. Alfinito, “Immobilization of rhodopsin on a self-assembled multilayer and its specific detection by electrochemical impedance spectroscopy” Biosensors and Bioelectronics, vol. 21, pp. 1393-1402 (2006)



Biosensors: the crossroad between biology and organic chemistry

Anthony P F Turner

Cranfield University, Cranfield, Bedfordshire MK43 0AL, UK. www.cranfield.ac.uk/health/abouttheschool/people/page8153.jsp

Sessió nº3: Biosensors- Plenària Biosensors fuse the exquisite recognition power of biology with the transducing and processing

power of microelectronics. They initially rose to commercial prominence some twenty years ago as a result of their huge success in serving the needs of the diabetes market, which is now worth over $8 billion1. This was followed by landmark instrumentation for real-time monitoring of affinity interactions, arguably culminating in the gene chip and array technologies that are now ubiquitous in both the academic literature and laboratories alike. Parallel advances in chemometrics furnished novel ways to dissect signals from single sensors and generate new information from sensor arrays. Perhaps most importantly of all, ingenious engineering has provided mechanisms to manipulate samples and to integrate micofluidic systems with mass-producible sensors.

These advances have led us to the point where we have biosensors capable of performing sophisticated bioanalytical tasks in the hands of non-specialists who can use them in the home or in the field. Biosensors small and reliable enough to be routinely implanted in the human body have also recently become an every-day reality for people with diabetes. In genomics, spectacular densities of array formats have been demonstrated with up to 6.5 million assays being performed on a 1.3 cm2 chip. Healthcare management for the elderly, chronic disease management, critical care, personalised medicine, toxicogenomics and theranostics continue to challenge our ingenuity as sensor technologists and the environmental conundrums of modern times are demanding sensors capable of being distributed widely in the environment and equipped with advanced local intelligence and data transmission. Added to this is the need to ensure food safety and the security of citizens against criminal or terrorist acts.

Biosensors began as a subclass of chemical sensors and the improved understanding of the chemical nature of biology has drawn the fields back together again. Research on biomimetic sensors is now pursued at the crossroad between biology and synthetic organic chemistry. Semi-synthetic approaches such as the development of aptamers2 have fused with computational methods for the design of synthetic receptors to offer new visions for totally chemical approaches to the synthesis of new ligands. The robustness and flexibility of biosensors can be significantly enhanced by the use of new nanomaterials to meet modern demands for the monitoring of health and the environment. The striking resemblance of the binding properties of molecularly imprinted polymers to those of natural receptors, for example, together with their inherent stability, low cost and ease of preparation for industrial application3 have made these nano-sized “plastic antibodies” an attractive alternative, leading to the construction of effective biomimetic sensors4. Polymer layers capable of mediating the conduction of electrons between the catalytic sites in an imprinted polymer and an electrode, offer competitive inhibition properties similar to those of enzymes such as tyrosinase, while nano-scale impressions of template protein molecules cast in molten gallium show specific binding for the template species with applications in separations, microfluidic devices and the development of new optical and electronic sensors5. These are but a few examples of the continued fusion of expertise in biology, physics and chemistry that underpin the engineers’ ability to build practically useful analytical systems for the future. ________________________________________ 1. Newman, J.D. and Turner, A.P.F. (2008). Historical perspective of biosensor and biochip development. In: Handbook of Biosensors and Biochips (Eds R. Marks, D. Cullen, I. Karube, C. Lowe and H. Weetall) John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-01905-4 www.wiley.com/go/biosensors 2. Geier, P., Mascini, M. and Turner, A.P.F. (2008). Aptasensors for C-reactive protein. In: Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (Ed. H. S. Nalwa) American Scientific Publishers. www.aspbs.com/enn (in press). 3. Piletsky, S.A & Turner, A.P.F. (2008). Imprinted Polymers and their application in Optical Sensors, In: Optical Biosensors: Today and Tomorrow. (Eds: Ligler, F.S. & Rowe Taitt, C.A.) Elsevier Science B.V., Amsterdam. pp. 543-581. ISBN: 978-0-444-53125-4 4. Piletsky, S.A., Guerreiro, A., Piletska, E.V., Chianella, I., Karim, K. and Turner, A.P.F. (2005). Preparation of Soluble and Collodial Imprinted Polymers by Living Polymerization. UK Patent Application 0511116.6. PCT/GB06/001986 5. Bossi, A., Rivetti, C., Mangiarotti, L., Whitcombe, M.J., Turner, A.P.F. and Piletsky, S.A. (2007). Patterned gallium surfaces as

molecular mirrors. Biosensors & Bioelectronics 23, 290-294



NANOBIOTECHNOLOGY AND BIOSENSOR OPPORTUNITIES

Arben Merkoçi Nanobioelectronics & Biosensors Group, Catalan Institute of Nanotechnology

Campus UAB, 08193 Bellaterra, Catalonia, Spain

Sessió nº3: Biosensors- Semiplenària Nanobiotechnology, the convergence of physical sciences, molecular engineering,

biology, chemistry and biotechnology holds considerable promise of advances in pharmaceuticals and healthcare. A brief overview of nanobiotechnology as one of the principle parts of the nanotechnology will be given. Three are the most important fields of the current nanobiotechnology : a) controlled delivery of drugs, b) use of nanoparticles for the obtaining of images and c) biosensors. Each one of these fields will be described and a revision of some relevant achievements with a special emphasis on biosensors will be given.

Nanbiootechnology is offering novel opportunities for biosensing applications. The design of novel nanostructures with special optical and electrochemical properties and their integration into biosensing systems in general and particularly biosensors represent only one aspect of the research in this new field. The biosensor oriented nanotechnology will provide new tools for various applications in fields like medicine, environmental studies, and industry.

Examples related to the integration of gold nanoparticles, quantum dots (QDs) and carbon nanotubes (CNT) in several detection systems will be presented. The use of nanoparticles for biosensing has generated great interest with the increasingly understanding of the structure and function of gene, especially for Human Genome Project. By the other side, sequence specific DNA detection has been a topic of significant interest, for its application in diagnosis of pathogenic and genetic diseases between other fields. DNA and protein detections methodologies based on several nanosctructures will be described. The use of QDs with special interest for the design of the so-called “DNA chips in solution” will be also emphasized.

Beside nanoparticles, CNTs are offering a great promise in the design of novel biosensors. Distinctive properties of CNTs such as a high surface area, ability to accumulate analyte, minimization of surface fouling and electrocatalytic activity are very attractive for electrochemical (bio)sensing systems. The integration of CNTs in several matrix including cells forming novel bionanostructures with interesting applications in sensor technology will be other examples. The obtained results show remarkable electrochemical and mechanical advantages of CNT modified electrode compared to the unmodified ones.

Such applications, results of the convergence between nanotechnology and biotechnology, are of special importance for the human health among other fields.



Copper electrodeposition processes for low cost high sensitivity

inductive biosensors M. Cortés1, E. Gómez1, P. Premchander2, C. Serre2, A. Pérez-Rodríguez2, E. Vallés1, S. Martínez3, F.J. Muñoz3

(1) Electrodep, Dept Química Física and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), Univ Barcelona, Spain (2) EME/CERMAE, Dept Electrònica and Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), Univ Barcelona, Spain

(3) Centre Nacional de Microelectrónica CNM-CSIC, Campus UAB, Bellaterra, Spain

Sessió nº3: Biosensors- Semiplenària Inductive microsystems in Si technology have a potential interest for the development

of low cost high sensitivity biosensors.1,2 These systems are based on the electromagnetic interaction between a planar coil and magnetic nanoparticles that are used as biological labels, and take advantage of the high sensitivity and specificity characteristic of magnetic immuoassay techniques, along with the low cost, high reliability and mass production capabilities of Si microsystem technologies. Detection of particles at levels compatible with high sensitivity applications has been demonstrated,1 and these devices are also compatible with the use of simple conditioning circuits suitable for portable applications.2 However, it clearly appears that the high value of series resistance, inherent to the planar technology of the microsystems, severely hinders the performance of these devices by drastically decreasing their quality factor. Unfortunately, increasing the inductance by increasing either the number of turns or the track density results in a concomitant increase of the series resistance (fig.1). Therefore, the full exploitation of the potential capabilities of these systems is strongly conditioned to the development of reliable techniques for growing metal layers with thicknesses well above those available with standard Si technology (typically limited to about 1–2 µm).

0 20 40 60 80 10001234567 Inductance

Resistance

Number of Turns (N)

Indu

ctan

ce (μ

H)

Fixed track density:width = 5 μmspacing = 5 μm

0200400600800100012001400

Resistance (Ω

)

Fig. 1. Variation of inductance and series resistance of a planar coil on a Si substrate vs the number of turns, for a constant track density.



An interesting approach for the growth of such layers is the use of Electrochemical (EC) deposition techniques. EC has several advantages in relation to PVD and CVD processes, related to a higher deposition rate allowing a very wide thickness range from values below 0.1 µm up to more than 100 µm, the easy control of thickness and chemical composition of the layer, and the low cost and high simplicity of the experimental setup. Moreover, EC is fully compatible with Si Microsystem technologies, being possible to perform a selective deposition through resist masks. Cu is well suited for microsystem applications in Si technology, owing to its low resistivity, low cost and ease to grow

electrochemically in a well-controlled way. Replacement of conventional Al tracks used in Si technology by higher aspect ratio Cu ones allows a significant improvement in the quality factor of the planar microcoils. As shown in Fig. 2, this determines a strong increase in the resonant characteristics of

RLC differential circuits implemented with these devices. This is critical for the achievement of high sensitivity detection levels.. However, residual stress and adherence of the layers are key parameters that can compromise the viability and lifetime of the devices. They are related to the microstructure of the layers which, in turn, is determined by the EC processing parameters. Among them, critical issues are the nature of the surface in contact with the electrolyte and the electrolyte composition.

In this framework, this work reports the implementation of electrochemical processes for the selective growth of Cu layers onto different substrates. The optimization of the electrolytic baths and electrodeposition conditions have been previously performed on Si substrates,3 in order to investigate the conditions leading to low stressed Cu tracks with a good adherence over the substrate after removal of the resist mask and seed layers (fig. 3). The developed processes have been implemented for the fabrication of well-defined copper coils (fig.4) compatible with their integration in advanced microsytems.4

Finally, the processes developed in this work are now being transferred to polymer substrates. These flexible and low cost substrates are of great interest for the fabrication of single use low cost biosensors. In addition to a higher biocompatibility with respect to Si devices, they are also expected to yield a better quality factor by avoiding the parasitic impedance contributions inherent to semiconductors substrates. A preliminary study and structural analysis has revealed that among the different tested polymer substrates (PEEK, PEN, PMMA, PS, Teflon, Kapton), the best candidate for

0 50 100 150 200 25002468

101214

Tran

sfer

t fun

ctio

n (a

.u.)

Frequency (MHz)

1,5 μm Al: Q = 0,87 15 μm Cu: Q = 14

49 turns planar coils on Si: width = spacing = 5 μm

Fig.2. Comparison of a micromachined planar coil prototype made with conventional 1.5 µm thick Al tracks and a simulation using 15 µm Cu layers.

Fig. 3. Schematic representation of the fabrication process of test microstructures and electroplated thick Cu coils.

Fig. 4. SEM image of an electrodeposited copper coil obtained on a Si/SiO2/Ti/Cu substrate after removal of the photoresist and selective etching of the Ti and seed layers



the fabrication of electroplated inductive devices appears to be Polyethylene Naphtalate (PEN), which exhibits excellent adherence properties and low level of residual stress. Photolithography and selective thick Cu electrodeposition are now under investigation for the fabrication of a first prototype.

1 C. Serre, S. Martínez, A. Pérez-Rodríguez, J.R. Morante, J. Esteve, J. Montserrat, “Si technology based microinductive devices for biodetection applications”, Sensors & Actuators, A132 (2), 499 (2006). 2 S. Baglio, A. Pérez-Rodríguez, S. Martínez, C. Serre, J.R. Morante, J. Esteve, J.Montserrat, “Microinductive Signal Conditioning With Resonant Differential Filters: High-Sensitivity Biodetection Applications”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 56, 1590 (2007). 3 M. Cortés, E. Gómez, A. Pérez-Rodríguez, C. Serre, E. Vallés, “Optimisation of Cu electrodeposition processes for Si technology based inductive microsystems”, J. Electroanal. Chem., 619, 176 (2008). 4 C. Serre, A. Pérez-Rodríguez, N. Fondevilla, E. Martincic, S. Martínez, J.R. Morante, J. Montserrat, J. Esteve, “Design and implementation of mechanical resonators for optimized inertial electromagnetic microgenerators”, Microsyst. Technol., 14, 653 (2008). 5 A.M. Niknejad, Analysis, Design and Optimization of Spiral Inductors and Transformers for Si RF ICS, College of Engineering, University of California, Berkeley, USA, 2000.



Clinical applications of gold nanoparticle-based magnetobiosensors

Alfredo de la Escosura-Muñiz (1,2), Adriano Ambrosi (1), Belén Dïaz-Freitas (3), Christian Sánchez-Espinel (3), África González-Fernández (3), Arben Merkoçi (1)

(1) Nanobioelectronics and Biosensors Group, Institut Català de Nanotecnologia, Barcelona, Spain (2) Instituto de Nanociencia de Aragón , Universidad de Zaragoza, Spain (3) Grupo de Inmunología, Universidad de Vigo, Spain

Sessió nº3: Biosensors- Oral Interferon gamma (INF-γ) is a soluble cytokine that has a very important role in the

regulation of immune and inflammatory responses. This protein is also used as a laboratorial marker for the diagnosis of diseases such as pleural tuberculosis 1. On the other hand, Hepatitis B (HBsAg) is a virus which infects the liver and it is present in blood and fluids of infected people. Thus, the detection of antibodies anti-HBsAg in these physiological fluids is used as marker for the diagnosis of this disease 2.

An early and accurate diagnosis is the key to the effective and ultimately successful treatment of this kind of diseases. Only detection sensitive methods allow an early diagnosis. Current methods such as ELISA and PCR based immunoassays are time-consuming, expensive, and require advanced instrumentation. Thus, more cost effective methods requiring simple/user-friendly instrumentation that can provide an adequate sensitivity and accuracy would be ideal for point of care diagnosis.

One of the most important challenges in biosensing is to get-together the advances in nanomaterials with new diagnosis methods in order to detect severe diseases in earlier stages. In this way, the biosensor technology offers benefits compared with more traditional diagnostics methods. Furthermore, the use of gold nanoparticles (AuNPs) as labels allows the design of new methods that work faster and in a more responsive/ sensitive way allowing an earlier diagnosis.

In this work we describe two sandwich immunoassays using magnetic beads (2.8 μm sized) as platforms for the bioreactions, and AuNPs (15 nm sized) as electroactive labels for the electrochemical detection of INF- γ and antibodies anti-HBsAg. The main parameters involved in similar immuno 3 and DNA assays 4 have been previously optimised in our group for model analytes. Briefly, the sandwich immunoassays consist in the incubation of the MB with the chosen captor protein, followed by the exposure to the target solution, where a second bioreaction takes place. After that, a second specific protein conjugated with AuNPs reacts with the corresponding target, forming the immuno-sandwich that is now ready to the detection step. After each incubation step the excess of reactants is separated from the sample by using an electromagnetic separation system that attracts the magnetic particles.

Finally, the AuNPs are electrochemically detected, without previous dissolving, using a magneto-modified electrotransducer, achieving the collection/immobilization of the MBs on its surface. The amperometric signal is directly correlated with the amount of target protein present in each sample solution, allowing the detection of low concentrations for both proteins.

In the case of the antibody anti-HBsAg, this protein is detected in mouse serum, without previous pre-treatment, and the results are comparable with those obtained using ELISA assays.

The developed method is instrumentally simple to use, with low cost and portable instrumentation, and the samples volumes required are lower than those used in the traditional methods.

35 A Gopi, SM Madhavan, SK Sharma, SA Sahn, "Diagnosis and Treatment of Tuberculous

Pleural Effusion in 2006", Chest, 131, 880-889 (2007). 36 D Lianlian, W Yefu, L Shawn, W Zhixiang, Z Jianxin., "Rapid and simultaneous detection of

human hepatitis B virus and Hepatitis C virus antibodies based on a protein chip assay using



nano-gold immunological amplification and silver staining method.", BMC Infectious Diseases, 5, 53 (2005).

37 Ambrosi, A.; Castañeda, M.T.; Killard, A.J.; Smyth, M.R.; Alegret, S.; Merkoçi, A., "Double-codified Gold Nanolabels for Enhanced Immunoanalysis", Anal. Chem., 79, 5232-5240 (2007).

38 Castañeda, M.T.; Merkoçi, A.; Pumera, M.; Alegret, S., "Electrochemical genosensors for biomedical applications based on gold nanoparticles.", Biosens. Bioelectron., 22, 1961-1967 (2007).

39 Pumera, M.; Castañeda, M.T.; Pividori, M.I., Eritja, R.; Merkoçi, A.; Alegret, S., "Magnetically Trigged Direct Electrochemical Detection of DNA Hybridization Using Au67 Quantum Dot as Electrical Tracer ", Langmuir, 21, 9625-9629 (2005).



New supramolecular platform for ion-selective-sensors Mònica Mir1, Abdelhamid Errachid1,2, Francis Vocanson4 and Josep Samitier1,2,3

1Nanobioengineering group, Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), Josep Samitier

1-5, 08028 Barcelona, Spain 2Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y

Nanomedicina (CIBER-BBN), Spain. 3Department of Electronics, University of Barcelona, c/ Martí i Franquès 1, 08028

Barcelona, Spain. 4Université de Lyon, 69003 Lyon ; Lace, UMR CNRS 5634, Université Lyon I, Bât. J. Raulin, 43

boulevard du 11 novembre 1918, 69622 Villeurbanne Cedex, France. Sessió nº3: Biosensors- Oral The fields of biotechnology and biomedicine are becoming increasingly important in research and industry. Within this ever growing research field, the ability to control the adsorption of biomolecules to solid supports plays a key role in achieving reliable and competitive devices. For applications in sensing, affinity chromatography, biocatalysis and microfluidic handling it is important to build both a non-fouling surface, but also to have suitable recognition sites in order to attach specific ligands with desired orientation and coverage to ensure a reproducible and reliable response. Thus, the design of a sensor platform that exhibits a reproducible and stable surface with resistance to non-specific binding and well controlled ligand immobilization is of great relevance. With this purpose a biocompatible anti-fouling and receptor oriented chemical sensor based on ion-selective electrode (ISE) was developed. The current methodology for ISE construction consists on the mixture of a conductive polymer, a plasticizer membrane and an ionophore receptor entrapped into this matrix [1]. In this work, a modified calixarene crown [2-3], which includes two thiol moieties linked to the crown, was self assembled constructing a monolayer of these ionophore oriented on the surface for an optimal potassium detection. The final application of this device will be in the biomedical field in order to on line monitor the state of the patients.

[1] Zine N., Bausells J., Teixidor F., Viñas C., Masalles C., Samitier J., Errachid A., Material science and engineering, 26, (2006), 399-404. [2] Park J.Y., Kim B.C., Park S.M., Anal. Chem. 2007, 79, 1890-1896 [3] Marques de Oliveira I.A., Vocanson F., Uttaro J.P., Asfari Z., Mills C.A., Samitier J., Errachid A., NanoPrint & NanoImprint Technology NNT’07, Paris (France), October 2007.



Synthesis and Magnetic Properties of Iron Oxide Nanoparticles for

Biomedical Applications N. Pérez, P. Guardia, A. Labarta, X. Batlle

Dept. Física Fonamental and Insitut de Nanociència i Nanotecnología IN2UB, U. Barcelona, Martí i Franqués 1, 08028 Barcelona, Catalonia, Spain

Sessió nº4: Nanopartícules i clusters

Nowadays, fine magnetic particles are used in many technological applications

and are considered promising materials for biomedicine as contrast agents for magnetic resonace imaging (MRI), hyperthermia cancer therapy, targeted drug delivery and biosensors. Consequently, the study of their magnetic properties and improvement of the synthesis and preparation methods has attracted many efforts in recent times. In particular considerable deviations from bulk behavior have been widely reported for particle sizes below about 100 nanometers1. Fe3O4 nanoparticles (NP) in the 5-20 nm range were synthesized by the high temperature decomposition of an organic Fe precursor in the presence of a variety of coatings (oleic acid, PVA, TMAOH, dextrane…). The use of decanoic acid as coating agent and controlled temperature ramps during synthesis leads to 8-75 nm particles with controlled shape from cubic to cube-octahedral, thus opening a new range of sizes not reachable before. In order to make this particles water dispersable hidrophobic coating was removed and organic and inorganic hidrophilic coatings were placed. The high temperature decomposition synthesis results show polidispersity below 20%, high crystallinity with an inverse spinel structure, and lattice parameters similar to those of magnetite, as revealed by X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), and high resolution TEM. Surprisingly enough, saturation magnetization Ms almost reaches the expected value for bulk magnetite at low temperature, being highest in those NP with surfactant covalently bonded to their surface. A variety of colloidal suspensions of quasi non-interacting Fe3O4 NP with oleic acid covalently bonded to their surface and mean diameter <d> = 5 nm, has been subject of a deeper study on individual particle properties. In particular, on the subject of surface related issues that affect the switching of the magnetic moment, still under debate in literature2,3.

The authors greatly acknowledge the collaborators A.G. Roca (ICMM-CSIC), M. P. Morales (ICMM-CSIC), C.J. Serna (ICMM-CSIC), F. Bartolomé (ICMA-CSIC, Univ. Zaragoza), L.M. García (ICMA-CSIC, Univ. Zaragoza). The funding from the Spanish MEC through projects NAN2004-08805-C04-02, NAN2004-08805-C04-01, MAT2006-03999, MAT2005-02454, Consolider-Ingenio 2010 CSD2006-00012, and the Catalan DURSI 2005 SGR 00969 is acknowledged.



Biocompatibilization of Laser Ablated Nanoparticles (Au, Co, Fe3O4,

TiO2, Ag) L. García-Fernández1, J. M. Fernández-Pradas2, F. Garcia3, J. Esteve2, V. Puntes1

1Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat Autònoma de Barcelona, Barcelona 08193, Spain 2Department of Physics, Universitat de Barcelona, Barcelona 08028, Spain

3Institut de Biotecnologia i Biomedicina, Universitat Autònoma de Barcelona, Barcelona 08193, Spain

Sessió nº4: Nanopartícules i clusters Noble and reactive metal nanoparticles have been widely used in all fields of

nanotechnology, because of their interesting optical, chemical and electronic properties. Among other, biological sensing and imaging are attractive and novel applications 1. For such applications, control of size, stabilization and size distribution of nanoparticles in solution are required 2. By means of a laser ablation method, as a top-down approach for nanoparticle synthesis, we will show how stable colloidal solutions can be obtained in biologically-compatible aqueous solutions. This physical method consists in an intense laser radiation over a metal target yielding ejection of its constituents and forming nanostructures. The size and size distribution of the produced nanoparticles can be controlled by variation of the laser parameters 3 (fig.1.a,b).

Noble metals (Au, Ag) and non-noble metals (Fe, Co, Ti) have been used as a target for laser ablation synthesis. The illuminated target is immersed in a water solution so that the formed particles are immediately suspended. Stabilizers have been added to the water solution in order to maintain the particles stable. As stabilizers, two conventional ones have been used: sodium citrate (SC) and Tetramethylammonium hydroxide (TMAOH). Au and Ag resulting nanoparticle colloidal solutions are observed to be stable after laser ablation synthesis in liquid solution (LASiS) (fig. 1.a,b,d). On the other hand, non-noble metals seems to form amorphous amalgams together with nanoparticles, likely due to their high reactivity and the plethora of oxides and hydroxides species they make (fig 1.c,e,f), inducing the nanoparticles to agglomerate and precipitate. However, a little fraction of nanoparticles remain stable in solution.

Figure 1. TEM images of LASiS and size distribution of a) gold nanoparticles in SC medium (1kHz, 19 A), b) gold nanoparticles in SC medium (1kHz, 22 A), c) iron oxide nanoparticles in

water without stabilizing agent, d) silver nanoparticles in SC medium, e) cobalt oxide nanoparticles resuspended in a TMAOH medium, f) iron nanoparticles resuspended in a SDS

medium.

a) b) c)

f )d ) e )

0 2 4 6 80

10

20

30

40

50

Frac

tion

of p

artic

les (

%)

Particle size (nm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

Frac

tion

of p

artic

les (

%)

Particle Size (nm)



Silver Atomic Quantum Clusters prevent harmful ethanol effects in mammalian cells

Selva J (1)(2)(4), Martínez SE (1)(2)(4), Buceta D (3), Rodríguez M (3), Blanco MC (3), López-Quintela MA (3), Egea G (1)(2)

(1) Departament de Biologia Cel·lular, Inmnunologia i Neurociències, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain. (2) Institut de Nanociències i Nanotecnologies

(IN2UB) de Barcelona, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain. (3) Laboratory of Magnestism and Nanotechnology (Nanomag), Technological Research Institute. University of Santiago de

Compostela, Santiago de Compostela, Spain. (4) These authors contributed equally to this work.

Sessió nº4: Nanopartícules i clusters Silver Atomic Quantum Clusters (AgAQC) composed of 2 or 3 silver atoms are able to

electrocatalyze alcohols oxidation between the range ± 100 mV, which lead us to hypothesize a potential cytoprotective function against damage produce by alcohols in living cells. The aim of the present work was to test whether AgAQC were capable to act as potential cytoprotectors against ethanol-induced impairments in cellular models. Regarding this, we used NRK cells as a model to evaluate the alterations generated by acute ethanol exposure at three levels: a) the cellular morphology, b) the actin cytoskeleton organization, and c) the caspase-3 activation. The ethanol concentrations used (100 and 200 mM) are tightly closed to ethanol concentrations found during alcohol abuse in human beings.1 We observed that ethanol perturbed the cellular morphology, conferring a rounded shape in a dose dependent manner. In addition, ethanol-exposed cells showed a significant disorganization of the actin cytoskeleton, which was evaluated at different levels: i) the decrease in the number of stress fibres, ii) the appearance of an actin peripheral ring, which is a typical phenotype of ethanol exposed cells2, and iii) the imbalance in the filamentous actin (F-actin) and globular actin (G-actin) ratio. The strongest ethanol alterations were observed after 30 min of exposition. Finally, ethanol also increased the caspase-3 protein activation, which is associated with the last steps of the programmed cell death (apoptosis).

Once acute ethanol exposure conditions were established in NRK cells, next AgAQC toxicity was evaluated. AgAQC were found not to be cytotoxic below concentrations of 3 µg/ml. When AgAQC were used at 0.1 and 1 µg/ml, they were non-toxic even for long periods of time. Moreover, actin cytoskeleton organization and caspase-3 activation were unaltered in these AgAQC-exposed cells.

Afterwards, we tested whether AgAQC could act as potential cytoprotectors against ethanol damage. Thus, NRK cells were then exposed to both, ethanol and AgAQC (0.5-1 µg/mL) at different dynamics. Interestingly, the only way that AgAQC exerted a cytoprotective effect was when they were added to the culture medium at the same time that ethanol. In these conditions, AgAQC prevented NRK cells from ethanol harmful effects, preventing cells to change the cell shape, the actin cytoskeleton organization and the F/G actin ratio.

Importantly, AgAQC exerted their prevention effect by their capability to electrocatalyze alcohols oxidation. In the presence of AgAQC, ethanol concentration significantly diminished in the culture medium of ethanol-exposed cells and this decrease was significant only when medium had been in contact with cells. This fact strongly suggested that AgAQC needed, indeed, the cellular membrane potential to electrocatalyze alcohols oxidation. 1 Eckardt MJ, File SE, Gessa GL, Grant KA, Guerri C, Hoffman PL, Kalant H, Koob GF, Li TK, Tabakoff B. Effects of moderate alcohol consumption on the central nervous system. Alcohol Clin Exp Res. 1998 Aug; 22(5): 998-1040.



Ethanol is one of the most important teratogens that profoundly affect the developing foetal brain. Previously, we have reported that prenatal ethanol exposure induce reorganization of the actin cytoskeleton in primary astrocyte cultures, which are a widely used cellular model to study Foetal Alcohol Syndrome (FAS)2 3. Since AgAQC prevented ethanol effects of acute-ethanol exposure in NRK cells, we checked the potential cytoprotective effects of AgAQC on astrocytes, as a potential pharmacotherapy against FAS. Our results revealed that AgAQC also partially prevented the cellular morphological changes and actin cytoskeleton alterations induced by the acute ethanol exposure in astrocytes.

Overall, our results indicate that the harmful effects of acute ethanol exposure can be partially prevented by AgAQC, mainly due to their capability to catalyze ethanol oxidation at electrical potential values similar to those found in the cellular membrane, which is usually between -40 to -80 mV. Figure 1 - AgAQC prevent ethanol-induced morphological changes and actin cytoskeleton disorganization in NRK cells.

2 Tomás M, Lázaro-Diéguez F, Durán JM, Marín P, Renau-Piqueras J, Egea G. Protective effects of lysophosphatidic acid (LPA) on chronic ethanol-induced injuries to the cytoskeleton and on glucose uptake in rat astrocytes. J Neurochem. 2003 Oct; 87(1): 220-229. 3 Martínez SE, Lázaro-Diéguez F, Selva J, Calvo F, Piqueras JR, Crespo P, Claro E, Egea G. Lysophosphatidic acid rescues RhoA activation and phosphoinositides levels in astrocytes exposed to ethanol. J Neurochem. 2007 Aug; 102(4): 1044-1052.



Figure 1: Unexposed (control) and ethanol-exposed (100 and 200 mM) cells were incubated in the absence (control) or presence of AgAQC (0.5 and 1 µg/ml) for 30 minutes. The cellular morphology and the actin cytoskeleton organization were evaluated by FITC-phalloidin staining. Red arrows show ethanol-induced rounded cells. Scale bar: 10μm.



Diagnòstic per RMN in vivo de tumors cerebrals humans.

A. Margarida Julià Sapé (1), (2); C. Carles Majós (3), (1); C. Carles Arús (2),(1) (1) Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Cerdanyola del

Vallès, Espanya (2) Grup d'Aplicacions Biomèdiques de la RMN-GABRMN, Departament de Bioquímica i Biologia Molecular,

Facultat de Biociències, Universitat Autònoma de Barcelona, Cerdanyola del Vallès, Espanya (3) Institut de Diagnòstic per la Imatge (IDI-Bellvitge), Consorci Sanitari i Universitari de Bellvitge, L'Hospitalet del

Llobregat, Espanya

Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Semiplenària L’objectiu del nostre grup de recerca és millorar la caracterització no invasiva dels

tumors cerebrals mitjançant la tècnica de l’espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear de protó (1H-ERM).

El cervell no posseeix receptors de dolor. Per aquesta raó els tumors usualment hi creixen de manera silent fins que es produeix efecte de massa i hi ha un elevació de la pressió intracranial, que pot provocar símptomes tals com mal de cap, atacs epilèptics o fins i tot coma, depenent de la localització de la massa i de les funcionalitats que estiguin afectades. En aquests casos, s’indica una exploració radiològica, utilitzant tomografia computeritzada o imatgeria de ressonància magnètica (IRM). El primer pas consisteix a detectar si existeix una massa anòmala. El diagnòstic de tumor cerebral mitjançant IRM compren varis passos, essent l’últim d’ells una diagnosi temptativa del grau i el tipus de tumor. Donada l’alta sensibilitat de l’IRM als canvis en el contingut i mobilitat relativa de l’aigua, els tumors mostren la majoria de cops una senyal hiperintensa (més clara) en imatges IRM de tipus T2 o FLAIR amb respecte al teixit cerebral normal. Quan s’administra un agent de contrast exogen (pe. gadolini), la detecció dependrà de canvis en la vascularització del teixit o bé de l’afectació de la barrera sang-cervell. En la pràctica neuroradiològica, quan els radiòlegs informen estudis d’imatge, són molt específics (85,2-100%) a l’hora de caracteritzar el grau i el tipus de tumor, però la seva sensibilitat varia depenent del tipus i el grau, separadament i en combinació (0-100%). 1 L’estàndard diagnòstic dels tumors és sempre mitjançant l’anàlisi patològic d’una biòpsia. Aquest procediment quirúrgic es troba associat a riscos de morbiditat o mortalitat, i s’ha estimat que en un 9% de casos els resultats de l’anàlisi són inconclusius. 2 També s’ha d’afegir els casos en que la condició física del pacient o la localització del tumor prop de zones eloqüents suposa un risc afegit a l’acte quirúrgic, sigui la resecció del tumor o la mateixa biòpsia diagnòstica. Donades aquestes circumstàncies, seria interessant disposar d’eines diagnòstiques no invasives que permetessin predir el tipus de tumor i el seu grau de malignitat. Una d’aquestes tècniques és l’ERM, accessible normalment a qualsevol hospital equipat amb un escàner d’ús clínic, i que es pot practicar en conjunció amb l’examen IRM.

Per tal que l’ERM sigui d’utilitat per a ajudar-nos a tipificar i gradar el tumor, hem de poder respondre les següents qüestions: 1) Quins tipus de tumors podem arribar a distingir mitjançant l’ERM? Què necessitem per donar resposta a aquesta pregunta?. 2) Un cop aconseguim un sistema ideal d’anàlisi de la informació espectroscòpica, cal traslladar-ho a la rutina clínica hospitalària. Quin seria el/s millor/s mètode/s d’anàlisi de l’ERM per als neuroradiòlegs, els quals no estan acostumats a la informació bioquímica en forma d’espectres de ressonància magnètica?. 3) Afegeix l’ERM informació valuosa de cara a la millora de la tipificació i/o gradació preoperativa dels tumors de cervell?

Al llarg de la xerrada es discutiran les estratègies desenvolupades al GABRMN per tal de donar resposta a aquestes tres preguntes generals. En primer lloc, es parlarà de les eines estadístiques (reconeixement de patrons) que s’utilitzen per a analitzar les dades d’ERM, 3 en el context de l’epidemiologia dels tumors cerebrals. Es parlarà de diferents esforços Europeus al



llarg dels últims anys per tal de reunir de manera ordenada i control·lada el major nombre de dades d’ERM de pacients de manera que es puguin aplicar les eines de reconeixement de patrons. 4, 5, 6 A continuació, es mostraran els sistemes amb els que treballem actualment, com ara els anomenats “sistemes de suport a la decisió”. Concretament, es parlarà de l’experiència del nostre grup amb els centres clínics amb els que col·laborem i també es demostrarà cóm s’analitzen casos de pacients de tumors amb el sistema INTERPRET. 4 També es mostraran els progressos en la resposta de la tercera pregunta, concretament amb la realització d’un estudi prospectiu en 50 pacients, amb el que vam demostrar que efectivament, l’ERM té valor afegit a la IRM per tal de caracteritzar tumors cerebrals. 7

40 Julià-Sapé M, Acosta D, Majós C, Moreno-Torres A, Wesseling P, Acebes JJ,

Griffiths JR, Arús C. “Comparison between neuroimaging classifications and histopathological diagnoses using an international multicenter brain tumor magnetic resonance imaging database”. J Neurosurg. 105(1):6-14. 2006.

41 Hall WA. “The safety and efficacy of stereotactic biopsy for intracranial lesions”. Cancer. 82(9): 1749-1755, 1998.

42 Tate AR, Underwood J, Acosta DM, Julià-Sapé M, Majós C, Moreno-Torres A, Howe FA, van der Graaf M, Lefournier V, Murphy MM, Loosemore A, Ladroue C, Wesseling P, Luc Bosson J, Cabañas ME, Simonetti AW, Gajewicz W, Calvar J, Capdevila A, Wilkins PR, Bell BA, Rémy C, Heerschap A, Watson D, Griffiths JR, Arús C. “Development of a decision support system for diagnosis and grading of brain tumours using in vivo magnetic resonance single voxel spectra.” NMR Biomed. 19(4):411-434. 2006

43 INTERPRET: http://azizu.uab.es/INTERPRET 44 eTUMOUR: http://www.etumour.net 45 HealthAgents: http://www.healthagents.net

http://rsna2005.rsna.org/rsna



Verificación experimental de dosimetrías IMRT utilizando el sistema "Portal Dosimetry" y películas GafChromic EBT. Experiencia clínica.

F. Pino (1,2), R. De Blas (1), I. Modolell (1), C. Picon (1), I. Sancho (1), J. Puxeu, M.C. Lizuain (1) (1) Servei de Física Médica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia

(2) Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona

Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Oral Introducción: Los tratamientos de radioterapia que utilizan la intensidad modulada

(IMRT) han adquirido en la última década un gran protagonismo, ya que consiguen una mejor conformación de la dosis en el volumen de prescripción y a su vez permiten preservar órganos de riesgo cercanos. El diseño del tratamiento se realiza con sistemas de planificación de optimización inversa. La reciente incorporación de la técnica de irradiación con un colimador multiláminas “sliding window” permite realizar el tratamiento de una forma más rápida, ya que consigue modular el campo de radiación mediante el movimiento continuo del colimador multiláminas sin que la unidad de irradiación (acelerador lineal) deje de irradiar. Debido a la complejidad de la técnica en comparación con los tratamientos convencionales, es necesario realizar verificaciones dosimétricas del tratamiento antes de administrarlo al paciente. Es recomendable y conveniente que se realicen medidas de dosis absoluta en algunos puntos, así como medidas de la fluencia de los campos con detectores 2D, tales como películas radiográficas y paneles de semiconductores o de cámaras de ionización. El interés de las películas radiocrómicas para el estudio de distribuciones de dosis se debe a su composición química que las hace prácticamente equivalentes a tejido, y por lo tanto, su respuesta es independiente de la energía de la radiación, al contrario de lo que sucede en las películas convencionales. Así mismo, también ha aumentado el interés del sistema “Portal Dosimetry” que utiliza detectores de silicio amorfo (aSi) ya incorporados al acelerador lineal, permitiendo una verificación muy rápida de los planes de tratamiento.

Objetivo: Análisis de los resultados obtenidos en la verificación de tratamientos de “sliding window” IMRT, con películas radiocrómicas, el sistema “Portal Dosimetry” y cámara de ionización.

Material y métodos: El estudio se realizó a partir de las verificaciones realizadas con 12 pacientes tratados con IMRT en nuestro hospital, de los que 11 fueron tratamientos de cabeza y cuello, y 1 de columna vertebral. El algoritmo de cálculo utilizado para las dosimetrías fue el “Anisotropic Analytical Algorithm“ (AAA) del sistema de planificadoción Eclipse Varian. El acelerador con el que se realizaron las verificaciones fue el Varian Trilogy en la energía nominal de 6 MV de fotones, con un colimador multiláminas Millenium de 120 láminas. La técnica de irradiación para IMRT elegida fue el “sliding window”. Para el proceso de calibración de las películas radiocrómicas GafChromic EBT se utilizó el escáner EpsonScan,10000 XL del que sólo se utilizó la imagen del canal rojo. Se irradiaron películas a diferentes dosis conocidas y se obtuvo una curva de calibración con la respuesta valor de píxel – dosis. También se estudió la dependencia con la energía, con la tasa de dosis, la variación de la curva de calibración para diferentes lotes de películas, y la saturación para altas dosis. El detector utilizado por el sistema “Portal Dosimetry” fue un “aSi 1000” de Varian, que mediante un sistema de detección de silicio amorfo proporciona una imagen de 1024x768 píxeles. La calibración se realizó siguiendo el protocolo especificado por el fabricante, y se verificaron los resultados obtenidos con los reportados por otros centros. La dosis absoluta en la verificación de los tratamientos se midió con una cámara de ionización PinPoint de 0.015 cm3.

Las verificaciones de las dosimetrías se realizaron para cada campo en los primeros 10 pacientes. Se utilizó un maniquí de agua sólida para realizar las medidas con las películas



radiocrómicas insertadas en un plano coronal, y con la angulación del haz a 0º. Posteriormente se comparó el resultado obtenido con las películas y el predicho por el planificador. Las medidas con el sistema “Portal Dosimetry” se hicieron con el detector portal colocado a una distancia foco-superficie de 100 cm sin utilizar el maniquí. Finalmente, las medidas de dosis absoluta se realizaron en un maniquí de IMRT (Scanditronix – Wellhöffer) y se compararon los datos obtenidos con los planificados. Se utilizó la función gamma 3%, 3 mm para cuantificar los resultados entre las distribuciones planificadas y experimentales de las películas radiocrómicas y el sistema “Portal Dosimetry”. En los dos últimos pacientes, se insertaron tres películas radiocrómicas en planos axiales del maniquí de IMRT y se irradió el tratamiento completo con las angulaciones del acelerador correspondientes para cada campo.

Resultados: En la Tabla 1 se muestran los resultados obtenidos en la verificación para cada campo planificado de los 10 primeros pacientes. Se observa que las medidas realizadas con cámara de ionización ajustan muy bien el valor planificado del medido, si se considera que una diferencia inferior al 3% es excelente, a excepción de dos puntos en los que se justifica la diferencia por encontrarse en una zona de alto gradiente de dosis. Para las películas y las medidas con portal, los resultados son buenos, si se tiene en cuenta que un porcentaje de puntos con gamma < 1 superior al 95% es muy buen resultado si se consultan los resultados obtenidos por otros centros. En la Figura 1 se muestra el resultado de verificar un tratamiento completo con una placa radiocrómica en posición axial. El porcentaje de puntos con gamma < 1 es mayor a 97% y se observan discrepancias en zonas de alta dosis y de entrada de haces.

Conclusión: Se han verificado 12 tratamientos de IMRT irradiados con la técnica “sliding window”, con cámara de ionización, el sistema “Portal Dosimetry” y películas radiocrómicas. Los resultados son muy buenos en los tres casos, y se ha comprobado que la verificación con el sistema “Portal Dosimetry” es tan fiable como con películas radiocrómicas. Así mismo, se ha observado que las películas radiocrómicas son un excelente sistema para verificar planos axiales del tratamiento.

Medidas con cámara de ionización Medidas con películas Medidas con portal

Desviación (% respecto 2Gy)

Puntos % puntos con gamma < 1

Películas % puntos con gamma < 1

Portales

< 1% 143 > 99% 50 > 99% 55 1 – 2 % 19 98 – 99 % 13 98 – 99 % 11

3 % 7 97 – 98 % 5 97 – 98 % 4 4.4 % 1 < 97 % 6 < 97 % 3 5.1 % 1

Tabla 1: Resultados de las verificaciones realizadas en 76 campos de 10 pacientes planificados.

Figura 1: En A se observa la planificación de un tratamiento de IMRT de una vértebra en el que se esquiva la médula. En la imagen B se muestra con detalle el resultado de la verificación con películas

A B



Desenvolupament i caracterització d’un sistema SPECT per animal petit basat en una gamma càmera portàtil

F. Pino (1,2), N. Roé (3), A. Orero (3), C. Falcón (1,6,7), S. Rojas (4), JM. Benlloch (5), J. Pavia (3,6,7), D. Ros (1,6,7)

(1) Unitat de Biofísica, Facultat de Medicina de la Universitat de Barcelona (2) Servei de Física Mèdica i Protecció Radiològica, Institut Català d'Oncologia

(3) Hospital Clínic de Barcelona (4) Departamento de Farmacología y Toxicología, Instituto de Investigaciones Biomédicas de Barcelona, CSIC

(5) Instituto de Física Corpuscular, CSIC. Valencia (6) Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS)

(7) CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Barcelona

Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Oral Introducció: En els últims anys s’han desenvolupat sistemes d’obtenció d’imatges per

la seva aplicació en animals petits1 dintre del camp de la investigació. Concretament, els sistemes PET i SPECT permeten la realització d’estudis “in vivo” de mecanismes moleculars i ajuden al desenvolupament de nous traçadors i productes farmacèutics. Les aplicacions de SPECT i PET se solapen en alguns casos, mentre que en altres són complementàries. El mètode que s’utilitzi per a una aplicació particular dependrà de diversos factors com el cost de l’equip, les infraestructures, la resolució que es demana i la sensibilitat de l’equip. També serà de gran importància la disponibilitat de traçadors específics.

En els darrers anys s’han desenvolupat diferents sistemes SPECT amb col·limador “pinhole” amb excel·lents resultats de resolució en aplicar-ho en animals petits com un ratolí. El problema és que l’aplicació d’un sistema SPECT amb una gamma càmera convencional és difícil perquè és necessari que un detector amb un col·limador molt pesant giri al voltant d’un objecte petit amb gran fiabilitat. Per resoldre aquest problema es poden utilitzar els sistemes SPECT de petit format, que a la vegada permetin en el futur l’acoblament d’altres sistemes d’obtenció d’imatges com el PET o el TAC. Si s’afegeix al sistema un radi variable, és possible maximitzar l’eficiència de detecció i la resolució del sistema en cada adquisició.

Objectiu: Desenvolupar un sistema SPECT per animal petit de radi variable utilitzant

una gamma càmera portàtil de format petit. Material i mètodes: Es va utilitzar la gamma càmera Sentinella S102 (OncoVision,

Valencia, España) amb un col·limador “pinhole” d’obertura 1 mm i focal de 32 mm. Un petit estatiu d’alumini permet el gir de la càmera amb un radi variable. El sistema està controlat per ordinador, amb moviment del llit de l’animal, gir del detector i adquisició de les projeccions. En primer lloc es caracteritzà el sistema obtenint la resposta impulsional (PSF). Per fer-ho, es va obtenir un model de PSF intrínseca utilitzant un feix col·limat de fotons gamma de 140 KeV en diferents angles d’incidència. La resposta impulsional del sistema es va obtenir convolucionant la projecció del forat del col·limador amb la resposta intrínseca del detector. Per descriure el procés d’adquisició, calen 7 paràmetres geomètrics a més de l’angle de projecció2. Per obtenir-los, es desenvolupà un sistema de calibració que utilitza un maniquí de tres fonts puntuals, del que s’obtenen 60 projeccions espaiades 6º. Els paràmetres s’obtenen mitjançant un procés iteratiu que minimitza les distàncies entre les projeccions teòriques de les fonts i els centres de les seves imatges obtingudes en les projeccions. S’utilitzà un algoritme iteratiu basat en subconjunts ordenats (OSEM) desenvolupat al nostre laboratori per reconstruir les adquisicions. Aquest algoritme permet incorporar la resposta del col·limador “pinhole” i del detector. Es va afegir un filtre bayesià per reduir el soroll de les reconstruccions en el cas d’adquisicions amb un baix número de fotons detectats. Per avaluar la capacitat de l’equip per realitzar estudis de



SPECT, es van fer adquisicions amb maniquins d’uniformitat (“hot spot” i “cold spot”) i de resolució (Derenzo amb 1.5, 2 i 3 mm de separació). La capacitat del sistema per obtenir imatges tomogràfiques d’animals petits es va comprovar realitzant un estudi ossi cranial d’un ratolí utilitzant el traçador 99mTc-HDP.

Resultats: La Figura 1 mostra la reconstrucció del maniquí de Derenzo. El sistema obté una resolució de 1.1, 1.8 i 2 mm a la primera iteració per radis d’adquisició de 21, 32 i 42 mm. Pel radi de 21 mm s’aconsegueix una resolució de 0.75 mm en la cinquena iteració. Aquesta resolució és adequada per la grandària de l’animal estudiat. La Figura 2 mostra els talls axials del crani d’un ratolí al que es realitzà un SPECT ossi amb 99mTc-HDP.

Conclusions: S’ha construït un sistema SPECT per animals petits, baix cost i bona resolució que permet la realització d’estudis “in vivo” de petits animals.

Figura 1: Tall axial del maniquí de Derenzo Figura 2: Talls axials del crani d un ratolí

1FJ. Beekman, F. Van der Have, B. Vastenhouw, AJA. Van der Linden, PP. Van Rijk, JPH. Burbach, MP. Smidt, “U-SPECT-I: A Novel System for Submillimeter-Resolution Tomography with Radiolabeled Molecules in Mice”. J Nucl Med, 46, 1194-1200 (2005).

2D. Bequé, J. Nuyts, G. Bormans, P. Suetens, P. Dupont, “Characterization of pinhole SPECT acquisition geometry”, IEEE Trans Med Imaging, 22, 599-612 (2003).radiocrómicas en el que los puntos de color no cumplen la condición g



Simulació Monte Carlo d'estudis de SPECT amb 123-I utilitzant

fotons d’alta i baixa energia amb una versió modificada del codi SimSET

N. Roé (1)(2), J. Gallego (3), A. Cot (1)(4), J. Sempau (3)(4), S. Bullich (5), J. Pavía (2)(4)(6), D. Ros (1)(4)(6)

(1) Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Universitat de Barcelona (2) Servei de Medicina Nuclear, Hospital Clínic i Provincial. Barcelona

(3) Institut de Tècniques Energètiques, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona

(4) CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN). Barcelona

(5) Grup d'Imatge en Neurociències, Institut d'Alta Tecnologia, PRBB. Barcelona

(6) Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS). Barcelona Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Oral Introducció i objectius: Els mètodes Monte Carlo són una eina d’ús freqüent en

Medicina Nuclear. La possibilitat de modelitzar per separat els diversos processos físics implicats permet analitzar problemes impossibles de tractar experimentalment.

Un codi àmpliament utilitzat en tomografia d’emissió és el Simulation System for Emission Tomography1 (SimSET). Està dissenyat per simular escàners de tomografia per emissió de positrons (PET) i gammacàmeres de SPECT. Si bé reprodueix l’atenuació i la dispersió de fotons a l’objecte, no simula el transport dels fotons al sistema col·limador-detector, sinó que reprodueix aquests elements amb funcions de pas que només tenen en compte la seva disposició geomètrica, considerant que els septes del col·limador són absorbents perfectes2. Així, tampoc no té en compte la retrodispersió de fotons que es pot produir a la part posterior de la càmera. Aquesta aproximació és adient per a l’isòtop més emprat en SPECT, el 99mTc, que presenta una sola línia d’emissió de 140 keV. Tot i així, quan es fa servir 123I, un núclid molt utilitzat en el camp de la neuroimatge3, aquests efectes esdevenen rellevants. L’espectre d’emissió gamma del 123I, a més d’una intensa línia de 159 keV, inclou una petita contribució de fotons d’energies més altes (només s’indiquen les contribucions relatives superiors al 0.1%): 346 (0.15%) keV, 440 keV (0.50%), 505 keV(0.37%), 529 keV (1.62%) i 538 keV (0.44%). En total, aproximadament un 3% dels fotons emesos són d’alta energia. Aquests fotons afecten considerablement la imatge, ja que poden travessar el col·limador i ser detectats directament o després de ser retrodispersats a la part posterior de la càmera. Els fotons d’alta energia poden donar lloc a un 28 % de les deteccions d’un estudi de SPECT amb 123I4. Aquest efecte es pot corregir quan es vol millorar la precisió en la quantificació d’imatges tomogràfiques reconstruïdes.

En treballs ja publicats, s’ha desenvolupat i posat en funcionament un model de simulació de la resposta de la gammacàmera a fotons de 159 keV, d’una banda, i a les diverses línies de fotons d’alta energia del 123I, de l’altra4,5; aquests models es van incorporar a SimSET com a funcions de transferència del col·limador dependents de l’energia.

L’objectiu d’aquest treball és la validació experimental del model implementat a SimSET, comparant imatges experimentals i simulades de la resposta del sistema col·limador–detector a fonts puntuals (PSF) de 123I.

Material i mètodes: La gammacàmera modelitzada és una Elscint Helix amb un col·limador fanbeam de focal 35 cm. Es van adquirir imatges planars d’una font puntual de 123I, a diverses distàncies del col·limador, entre 5 i 25 cm, i es van simular fonts puntuals, en condicions que reproduïen les de l’experiment, amb la versió modificada de SimSET.

S’ha avaluat l’eficiència, és a dir, el quocient entre els fotons detectats i els emesos, en funció de la distància, comparant els resultats experimentals amb els de la simulació. També s’han traçat perfils radials de les PSFs experimentals i simulades, per veure el grau de similitud entre la distribució de fotons detectats en un cas i en l’altre. A cada perfil radial es representa el nombre de fotons detectats a cada distància del centre de la PSF normalitzat al nombre de fotons emesos.



Resultats i conclusió: Les corbes d’eficiència en funció de la distància mostren un bon nivell de concordança per a distàncies a partir de 10 cm, tal com es pot veure a la figura 1. Això és especialment important per a la validesa de les quantificacions que es calculin mitjançant aquest simulador.

Pel que fa als perfils radials, les corbes simulades s’acosten a les experimentals de la

manera esperada, tal com es mostra a la figura 2, corresponent a una distància de 15 cm entre la font i el col·limador. Això indica que el simulador distribueix apropiadament les deteccions per la superfície de la càmera, cosa imprescindible per obtenir simulacions realistes.

Amb aquest treball s’ha comprovat la validesa de la versió modificada del codi SimSET per al 123I amb la càmera Elscint Helix, per a distàncies superiors a 10 cm, que són les distàncies de treball més rellevants. Això hauria de permetre millorar els algoritmes de reconstrucció tomogràfica i de quantificació dels estudis de SPECT amb 123I, que fins ara no tenien en compte l’efecte dels fotons d’alta energia. 46 R. L. Harrison et al., "Preliminary experience with the photon history generator module of a

public-domain simulation system for emission tomography" Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, IEEE Conference Record, 1154-1158 (1993).

47 B. M. W. Tsui et al. “The geometric transfer function for cone and fan beam collimators” Physics in Medicine and Biology 35 81-93 (1990)

48 A. M. Catafau, "Brain SPECT of dopaminergic neurotransmission: a new tool with proved clinical impact", Nuclear Medicine Communications, 40 (11), 1059-1060 (2001).

49 C. Crespo et al., “Quantification of dopaminergic neurotransmission SPECT studies with 123I-labelled radioligands. A comparison between different imaging systems and data acquisition protocols using Monte Carlo simulation”, European Journal of Nuclear Medicine, 35 (7), 1334-1342 (2008).

50 A. Cot et al., "Modeling of high-energy contamination in SPECT imaging using Monte Carlo simulation", IEEE Transactions on Nuclear Science, 53 (1), 198-203 (2006).

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30

Distància font - col·limador (cm)

Efic

iènc

ia ((

cps/

Bq)

*10-5

)

SimulacióExperiment

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

0 2 4 6

Coordenada radial (cm)

Inte

nsita

t (un

itats

arb

itràr

ies) Simulació

Experiment

Figura 1: Eficiencia en funció de la distància Figura 2: Perfils radials a 15 cm de distància



Estimació de la fracció de dispersió en estudis de Tomografia d’Emissió de

Positrons en humans i en animal petit F. D. Popota (1)(2), N. P. Martinez Vera (2), P. Aguiar (3), S. Madrigal Rojas (2), D. Ros (2)(4)(5), A. Cot (2)(4),

J. D. Gispert (1)(4), J. Pavia (4)(5)(6) (1) Institut d’Alta Tecnología, PRBB, Barcelona.

Departament d'Estructura i Constituents de la Matèria. (3) Grupo de Investigación en Radiofisica, Universidad de Santiago de Compostela.

(4) CIBER de Bioenginyeria, Biomaterials y Nanomedicina (CIBER-BBN), Barcelona. (5) Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), Barcelona.

(6) Servei de Medicina Nuclear, Hospital Clinic, Barcelona. Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Oral

Introducció i objectius: La Tomografia d'Emissió de Positrons (PET) és una tècnica d’imatge molecular que permet el seguiment in vivo de processos fisiològics, essent, per tant, d’interès en diagnòstic i investigació. En el camp de la recerca, està adquirint gran rellevància per a l’estudi de models animals de malalties, així com per a l’avaluació de nous fàrmacs.

Si bé aquesta modalitat d’imatge funcional proporciona informació rellevant a nivell molecular de processos fisiològics i patològics, les dades estan afectades pel soroll estadístic inherent a la desintegració radioactiva, les degradacions associades a la interacció radiació - matèria (atenuació i dispersió) i la resposta del sistema detector.

Les tècniques de simulació de Monte Carlo (MC) permeten la simulació dels efectes anteriors i són d’utilitat per a optimitzar el disseny del sistema d’imatge. Les tècniques de MC proporcionen informació sobre el sistema d’imatge que, en ocasions, és difícil o impossible d’obtenir experimentalment. Un dels fenòmens que es poden estudiar mitjançant MC és la dispersió de fotons, que degrada la imatge i afecta la quantificació dels estudis.

En aquest treball hem estudiat la importància de la dispersió en els estudis obtinguts en equips PET. Aquest fenomen pot sorgir de diverses fonts com la dispersió dins de l’objecte, la dispersió al detector i la dispersió a l’estatiu. L’objectiu fonamental d’aquest projecte ha estat avaluar en quina mesura la dispersió Compton dins de l’objecte és important en PET. Aquest treball s’ha centrat a la dispersió dins de l’objecte i no a la dispersió en el sistema detector perquè la seva magnitud pot ser relativament petita. Encara que aquesta última dispersió existeix en mesures experimentals no se simulen1.

Material i mètodes: El codi MC utilitzat en aquest treball és SimSET2 (Simulation System for Emission Tomography), codi públic desenvolupat a la Universitat de Washington. Aquest codi permet simular les dades que s’obtindrien en un equip partint d’un model numèric d’activitats i materials. Les dades de sortida corresponen als sinogrames, separant en fitxers diferents les informacions corresponents als fotons directes, als que han sofert una dispersió, dues dispersions o més de dues, cosa que permet avaluar l’efecte de la dispersió.

Hem simulat dos sistemes PET: un per a humans i un altre per a animal petit. El sistema simulat per a humans és la càmera Siemens ECAT EXACT HR+. Aquest escàner té 4 anells amb 72 blocs cadascun. El cristall de BGO d’un bloc està dividit en una matriu de 8 x 8. Darrera d’aquesta matriu es troben quatre fotomultiplicadors. Aquesta configuració dóna lloc a un total de 32 anells detectors amb 576 detectors de BGO (4,05 x 4,39 x 30 mm3) per anell, cobrint un camp de visió (FOV) axial de 15,5 cm. El diàmetre de l’anell és de 82,7 cm. Per a l’adquisició s’ha fet servir una finestra d’energia de 320-700 keV i la resolució energètica és 23%.

L’equip PET simulat per a animal petit és el sistema (Concorde Microsystems Inc.) microPET R43 (rosegadors). Aquest escàner fa servir blocs detectors, cadascun dels quals té una matriu 8x8 de cristalls de centelleig de LSO (2,1 x 2,1 x 10 mm3). Cada bloc està unit a un tub fotomultiplicador sensible a la posició (PS-PMT) mitjançant un feix de fibra òptica. Ajuntant lateralment quatre d’aquests blocs es forma un mòdul detector axial. L’anell sencer consta de 24



mòduls que conformen un total de 32 anells de cristalls individuals. El diàmetre de l’escàner és de 14.8 cm i la longitud axial és de 7.8 cm. La finestra d’energia que hem utilitzat és de 250 – 650 keV i la resolució en energia és 22%.

El valor de la fracció de dispersió (FD) es defineix com el quocient entre el nombre de coincidències de dispersió i el nombre total de coincidències. Per a mesurar la FD es van simular tres maniquins numèrics amb mides apropiades per humans, rates i ratolins. Els maniquins estan constituïts per un cilindre d’aigua dins del qual hi ha dos cilindres més petits, un de buit i l’altre amb una dissolució del traçador en aigua. La figura 1 mostra un esquema del maniquí simulat dins del detector. En poder separar les coincidències dispersades una, dues o més vegades, es poden obtenir les fraccions d’una dispersió (FD1), de dues (FD2) i de més de dues dispersions (FD>2.).

Resultats i conclusió: A la taula 1 es presenten els resultats de la fracció de dispersió obtinguda per a humans i per a rata i ratolí.

Directes FD FD1 FD2 FD>2

HUMANS 51,8% 48,2% 29,1% 13,4% 5,7%

RATES 71,8% 28,2% 22,8% 4,7% 0,7%

RATOLINS 84% 16% 14,1% 1,7% 0,2%

Figura 1: Esquema de l’escàner simulat. Taula 1: Fraccions de dispersió. Els resultats de la taula mostren que la dispersió en humans representa pràcticament la meitat dels fotons detectats i que, com era d’esperar, disminueix de forma significativa en objectes de dimensions corresponents a petits rosegadors. També es pot veure que la dispersió als rosegadors no és menyspreable i que majoritàriament correspon a dispersió de primer ordre. En canvi, en humans és important tant la dispersió de primer ordre com la de segon. Aquest resultat és important, ja que orienta cap a una correcció més senzilla de l’efecte de la dispersió en rosegadors. La correcció de la dispersió en petits rosegadors es pot incorporar directament a l’algoritme de reconstrucció utilitzant l’algoritme SSS (Single Scatter Simulation)4,5 en què l’estimació de la dispersió s’accelera en comparació amb les simulacions Monte Carlo completes que són computacionalment costoses. ______________________________________________________________________________ 12 H. Zaidi et al., “Scattering modelling and compensation in emission tomography” Eur J Nucl

Med Mol Imaging, 31, 761-782, (2004) 13 R. L. Harrison et al., "Preliminary experience with the photon history generator module of a

public-domain simulation system for emission tomography" Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, IEEE Conference Record, 1154-1158 (1993).

14 C. Knoess et al., “Performance evaluation of the microPET R4 PET scanner for rodents” Eur J Nucl Med Mol Imaging, 30, 737-747, (2003)

15 A. Werling et al., “Fast implementation of the single scatter simulation algorithm and its use in iterative image reconstruction of PET data” Phys. Med. Biol. 47, 2947-2960 (2002).

16 Watson C, Newport D & Casey M “A single-scatter simulation technique for scatter correction in 3D PET”, Kluwer Academic Publishers, (1996)



(1) Departament de Fisica Fonamental, Facultat de Fisica, Universitat de Barcelona, Diagonal 647, 08028 Barcelona, Spain. (2) CIBER-BBN,Networking Centre on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine; (3) Howard Hugues Medical Institute and Department

M. Segura (1), X. Mateos (1), M. Salvadó (2), M. López-Tortosa (2), F. Díaz (1) and M. Aguiló (1) (1) Física i Cristal·lografía de Materials i Nanomateriales (FiCMA-FiCNA), Universitat Rovira i Virgili (URV),

Campus Sescelades, c/Marcel·lí Domingo, s/n, 43007 Tarragona, Spain. (2) Física mèdica, Universitat Rovira i Virgili (URV), Facultat de Medicina i Ciències de la Salut de Reus.

C/ Sant Llorenç, 21 - 43201 Reus, Spain. Sessió nº5: Diagnòstic per la imatge i física mèdica- Oral

Nowadays, thanks to the advances in materials research, the laser technology has gone up. This has permited the advance in medicine showing excellent results. Particularly, in the field of dermatology, the applications of lasers are used in different treatments such as skin resurfacing, skin rejuvenation, hair removal, tatoo removal, and skin tumors among others being divided into two groups, ablative and non ablative lasers. The ablative treatments burns the epidermis whereas the non ablative treatments conduct heat to the deeper dermis. The most common lasers used in dermatology are the pulsed Nd:YAG, at 1064 nm and 1320 nm wavelengths, as non ablative laser, and CO2, at 10600 nm, together with Er:YAG, at 2940 nm, as ablative lasers. Recently, fractional resurfacing as a new laser treatment has been developed with CO2 and Er:YAG. It consists of microscopic spots producing thermal damage to a small volume of tissue. 1 This technique has reduced the risk of scaring and the recuperation time, compared to conventional ablative treatments. Concerning the laser tissue interaction, the thermal interaction is a mechanism based on the radiation absorption by the main cromophores in the skin: Water, hemoglobin and melanin. 2 Figure 1 represents the absorption of water and hemoglobin at different wavelengths indicating the actual laser systems used in medicine. At visible and UV wavelengths, the light is absorbed mainly by proteins such as the hemoglobine, then for vascular lesions, the argon ion laser in commonly used. Contrary, at longer wavelengths, the main absorber is water leading to other applications such as the skin resurfacing and skin rejuvenation. More precisely, the wavelength determines the penetration depth into tissue. In figure 1, each particular laser system has a well defined wavelength, thus, as the incoming radiation is absorbed its penetration into tissue is lower. For example, in tissues with large amount of water, there is a maximum of absorption at 3 μm and the penetration is only few micrometers, while at ~2 μm the penetration is 100 times greater.

Figure 1: Absorption of water and hemoglobin at different wavelengths.

In this context, in medical applications there is a great interest of new laser sources for surgery and phototherapy less invasive, with less operation time, less recuperation time and reducing the number of treatments. Moreover for practical purposes, the laser source must be

1 1010-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Ar i

on

Water Hemoglobin

Tm:K

LuW

Dio

de

CO

2

Nd:

YA

G

Er:Y

SSG

Er:Y

AG

Nd:

YA

G

Abs

orpt

ion

(1/c

m)

Wavelength (μm)



compact, easy to operate, handle, versatile and cheap. These features are present in diode-pumped solid state lasers and thanks to the development of new materials and high power diode lasers as pump sources, the diode-pumped solid state laser technology continuously evolve. The present work finds interest on a new laser based on a solid state material, that consists of the monoclinic potassium lutetium double tungstate (KLu(WO4)2 ) crystal as host and Tm3+ as active ion (shortly Tm:KLuW). It is pumped at 802 nm by a commercial diode laser (AlGaAs) and operates at 1946 nm, where the absorption in water is much higher than that of Nd:YAG but slightly lower than that of CO2. This offers a new possibility to work with a laser to better treat certain medical lesions and with an eye-safe wavelength. The new diode-pumped Tm:KLuW laser offers other advantages, among them: the use of KLuW as host induces interesting spectroscopic properties to Tm3+ so that the laser efficiency is very high. Moreover, it allows the radiation to be conduced by optical fiber and to be polarized, this could also be very interesting in certain applications where the light needs to be polarized and finally, the use of diodes as pump sources is of great value because of the reduction of both economical cost and the physical size of the equipment. The Tm:KLuW crystals were obtained at the FiCMA laboratories. Their structure, physical and spectroscopic properties are previously studied. 3, 4, 5 For the laser experiments, a 3%Tm:KLuW grown crystal was properly cut and polished with high optical quality, coated with antireflection coating at the pump and laser wavelengths and mounted on a copper holder refrigerated by water to avoid an increase of temperature in the crystal during laser operation. The laser experiments, with diode pumping, hemispherical cavity with 3% transmission at the output coupler, have shown 4.6 W maximum output power for 15 W of pump power, 1.3 W laser threshold and 35.4% laser efficiency. These results are shown in figure 2. The relationship between output power and incident power was linear for 1.3 – 15.0 W range, so that no thermal problems were observed indicating that further power scaling is possible.

Figure 2: Output power versus incident power for Tm:KLuW laser

We further plan to scale the power and study the pulsed operation by active and/or passive Q-switch of the 1.94 μm radiation to apply it in dermatology. This wavelength is very interesting since the penetration into skin is higher than that of Er:YAG and CO2, so the epidermis do not suffer, and lower than that of Nd:YAG, so the thermal effects can stimulate the collagen production at lower penetration.

17 D. Manstein et al, ''Fractional photothermolysis: a new concept for cutaneous remodeling

using microscopic patterns of thermal injury'', Lasers Surg. Med., 34, 426-438 (2004) 18 M. H. Niemz, Laser-tissue interactions, Springer, (2007) 19 M.C. Pujol et al, "Structural redetermination, thermal expansion and refractive indices of

KLu(WO4)2", J. Appl. Cryst., 39, 230-236 (2006) 20 V. Petrov et al, ''Growth and properties of Klu(WO4)2, and novel ytterbium and thulium lasers

based on this monoclinic crystalline host'', Laser and Photon. Rev., 1, 179-212 (2007) 21 O. Silvestre et al, ''Thermal properties of KLu(WO4)2 as a promising solid state laser host'',

Opt. Express, 16, 5022-5034 (2008)

0 2 4 6 8 10 12 14 160

1

2

3

4

5

Tm:KLuW laserTOC= 3%η = 35.4%

Out

put p

ower

(W)

Incident power (W)



Building cell movements step by step T. Betz, L-L Pontani and C. Sykes

Section de Recherche, Institut Curie, UMR CNRS 168, 11 rue Pierre et Marie Curie, 75248 Paris

Sessió nº 6 : Biomedicina -Plenària Cells move and divide by dynamically changing their mechanical properties via the assembly and disassembly of their cytoskeleton. These processes are regulated by numerous proteins from the cytoplasm, which make the mechanism very complex to understand. In order to unveil generic mechanisms of cell movements, we developed simplified stripped-down systems that reconstitute cellular behaviours. These systems allow for a controlled study of the physics and the biochemistry of certain types of cell movements. For example, actin polymerization at the surface of hard objects mimics well the propulsion of bacteria like Listeria, and the systematic investigation of the involved forces and velocities allows identifying the physical and biochemical mechanisms of propulsion. The mechanical properties of cells and their dynamics are dominated by the underlying polymeric actin network. To investigate the membrane - cytoskeleton interaction we developed a biomimetic cell where actin polymerizes off the membrane of a liposome, generating an actin cortex comparable to living cells. After characterizing the mechanical properties of such a biomimetic cell we applied the gained experience to living cells. This showed that active fluctuations play an important role in the mechanics of red blood cells, hence opening insights into how red blood cells maintain their elasticity. Our biomimetic approach to reconstitute biological system in vitro with a minimal assay proved to be a powerful way to investigate and test physical and biological models by providing highly controlled systems. Reapplying the gained knowledge to biological systems then allows for fundamental insights into highly complex biological processes.



Nanomecànica cel·lular: Adaptant-se a l’entorn mecànic

D. Navajas Unitat de Biofisica i Bioengineria, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona - Institut de Nanociencia i

Nanotechnologia, Institut de Bioengineria de Catalunya. Barcelona..

Sessió nº 6 : Biomedicina-Semiplenària Les propietats mecàniques de les cèl·lules regulen funcions cel·lulars essencials tals com la contracció, migració, divisió, expressió gènica i diferenciació. El comportament mecànic cel·lular està mediat per la capacitat de les cèl·lules de detectar i respondre a les propietats mecàniques del seu microentorn. El coneixement de les propietats mecàniques de la cèl·lula i de la seva adaptació al microentorn és particularment important en les cèl·lules pulmonars ja que estan adherides a una matriu extracel·lular molt tova que està sotmesa a deformacions cícliques degudes a la respiració. Les propietats mecàniques de les cèl·lules i de la matriu extracel·lular es poden alterar en malalties respiratòries tan importants com la insuficiència respiratòria aguda, la fibrosis pulmonar i el càncer. A més, els teixits pulmonars es poden trobar sotmesos a grans forces i deformacions durant els tractaments amb ventilació mecànica. La nanotecnologia ofereix noves eines per manipular cèl·lules vives amb resolució de nanòmetre i la mesura simultània de forces amb resolució de picoNewton, que són les escales adients per explorar el comportament mecànic cel·lular. La presentació esta centrada en l’estudi de la mecànica de les cèl·lules pulmonars i de la interacció mecànica amb el seu microentorn mitjançant nanotecnologies. 1Roca-Cusachs P, Almendros I, Sunyer R, Gavara N, Farré, Navajas D. Rheology of passive and adhesion-activated neutrophils probed by Atomic Force Microscopy. Biophys J 91:3508-3518, 2006. 2Trepat X, Deng L, An SS, Navajas D, Tschumperlin DJ, Gerthoffer WT, Butler JP, Fredberg JJ. Universal physical responses to stretch in the living cell. Nature 447:592-595, 2007.



La actina y la seva dinàmica en la organització del tràfic intracel·lular

de membranes en cèl·lules de mamífer Gustavo Egea

Dept. Biologia Cel·lular, Immunologia i Neurociències. Facultat de Medicina, IN2UB, Universitat de Barcelona

Sessió 6: Biomedicina-Semiplenària

Presentaré aquells resultats generats en el meu laboratori que relacionen la actina y la

seva dinàmica (cicle de polimerització/despolimerització) en un procés crucial dins de la cèl·lula: el tràfic secretor dels components de membranes (també més conegut com via secretora o biosintètica). Faré especial èmfasi en un orgànul que és clau dins d’aquesta via: l’aparell de Golgi.1 Aquest presenta una arquitectura única dins de la cèl·lula constituït per un apilament de cisternes aplanades. Entendre els seu procés de construcció, manteniment i funció atrau de fa temps als biòlegs cel·lulars i més recentment també als biofísics. Explicaré aquells resultats més significatius i les aproximacions experimentals que hem aplicat per obtenir-los, prestant especial atenció de quina manera els filaments d’actina participen en mantenir la forma aplanada de les cisternes i els mecanismes moleculars que poden estar implicats (des de la tensió de membrana fins els motors moleculars i els bescanviadors iònics).

Figura. A l’esquerra es mostra una

cèl·lula visualitzada

al microscopi

de fluorescènci

a en la que es posa de

manifest de color verd els filaments d’actina (formant part de les fibres d’estrés) i de color vermell l’aparell de Golgi. A la dreta es mostra l’organització ultraestructural de l’aparell de Golgi vist al microscopi electrònic. Cal fixar-se en que està format per cisternes molt planes apilades una damunt de l’altre.

51 G. Egea, F. Lázaro-Diéguez, M. Vilella. Actin dynamics at the Golgi complex in mammalian cells. Curr. Opin. Cell Biol 18, 186-178, 2006.



Shear fluidization of the living cell: a new paradigm of

mechanoprotection? X. Trepat (1,2), D. Navajas (1), J.J. Fredberg (2)

(1) Program in Molecular and Integrative Physiological Sciences, Harvard Universtiy (2) Unitat de Biofísica i Bioenginyeria and Institut de Nanociència i Nanotecnologia, Universitat de Barcelona

Sessió nº6:Biomedicina-Semiplenària Of all forms of matter that exist in nature, the cytoskeleton (CSK) of the adherent living

cell is arguably the most complex. The human genome codes for about 2000 structural, adhesion, and motor proteins, and the CSK itself comprises hundreds of different proteins interacting with one another in a specific manner. The CSK exists in a continuous state of remodeling, moreover, and is systematically displaced far away from thermodynamic equilibrium1. The abilities of this complex material to deform, to contract, and to remodel underlie a wide range of higher level biological processes including not only cell adhesion, polarization, locomotion, and invasion, but also angiogenesis, gene expression, lineage specification, apoptosis, wound healing, and pattern formation. Current understanding of CSK mechanics is based on the notion that mechanical forces stiffen the CSK through passive strain-hardening and signaling-mediated reinforcement. Such stiffening has been proposed to be a protective mechanism to preserve the structural integrity of cells and tissues. Here we studied the mechanical and structural response of the living cytoskeleton to stretch and found this paradigm to be largely incomplete.

We applied a transient macroscopic stretch (2.5%-10% biaxial strain, 4s duration, returning to 0% strain) to cells cultured on flexible substrates and measured cell rheology and structural nanoscale rearrangements before and immediately after stretch. To measure cell microrheology we allowed magnetic microbeads to strongly bind to the cell CSK and then twisted them using an oscillatory magnetic field (0.75 Hz). We computed the elastic (G') and loss (G'') moduli form the ratio between the applied torque (T) and the resulting bead displacement (d) as G*(ω)= G'+jG''=T(ω)/d(ω). To measure structural rearrangements of the CSK we computed the mean square displacement MSD(Δt, tw) of spontaneous bead trajectories over time windows of 10s both before stretch and at different waiting times (tw) after stretch cessation.

Stretch caused a rapid drop in the elastic modulus (G') and an increase in the loss tangent (η=G''/G'). After this rapid fluidization, both G' and η evolved slowly towards their pre-stretch values. In experiments involving different cell types, tissues, and molecular interventions, these physical responses could be scaled onto master relationships in which the organizing parameter was the position of the cell in the solid to fluid spectrum. When no stretch was applied, the spontaneous motion of the beads was subdiffusive at short times (Δt<1s) and superdiffusive at long times (Δt>1s). Stretch caused a rapid increase in the MSD of the beads followed by a slow relaxation. This relaxation process scaled as tw

μ with an aging exponent μ=0.3. This aging exponent was sensitive to actin depolymerization with latrunculin A (μ=0.20) and to cell contraction with histamine (μ=0.35).

Our findings imply that the current paradigms of cell rheology and mechanotransduction based on strain hardening and active reinforcement are largely incomplete. Instead of stiffening in response to stretch, cells soften and fluidize. Such fluidization provides the cell with a novel mechanism of mechanoprotection and suggests a primitive fact of basic biology: eukaryotes harbor collections of molecular conformations in energy wells deep enough to avoid thermal insult but shallow enough to be selectively responsive to physical forcing.



52 X. Trepat, L. Deng, S.S. An, D. Navajas, D.J. Tschumperlin, W.T. Gerthoffer, J. Butler, J.J Fredberg. Univeral responses to stretch in the living cell. Nature, 7144, 592-596, (2007).



Efecte de la temperatura a la reologia cel·lular mesurada mitjançant

microscopia de força atòmica R. Sunyer (1), F. Ritort (2), R. Farré (1) i D. Navajas (1)

(1) Unitat de Biofísica i Bioenginyeria, Departament de Ciències Fisiològiques I, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona. (2) Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Barcelona.

Sessió nº6: Biomedicina-Oral

El citoesquelet és una xarxa de filaments en tensió que regula la estabilitat estructural en cèl·lules animals. Malgrat que el citoesquelet juga un paper rellevant en importants funcions cel·lulars, els mecanismes que regulen la seva mecànica són poc coneguts. La dinàmica del citoesquelet presenta un comportament reològic que no està lligat a cap escala de temps. El mòdul complex elàstic (G*) de les cèl·lules augmenta amb la freqüència com una llei de potències amb un exponent petit1. S’ha suggerit que aquest comportament podria estar associat a dinàmiques glassy on els rearranjaments del citoesquelet determinen la seva reologia2,3. Consistent amb aquesta hipòtesi, la remodelació del citoesquelet mostra rearranjaments estructurals que augmenten fortament amb la temperatura4. D’acord amb aquestes dades, G* hauria de decréixer amb la temperatura. L’objectiu d’aquest treball és dilucidar l’efecte de la temperatura en la reologia del citoesquelet utilitzant microscopia de força atòmica.

Es va mesurar G* de cèl·lules alveolars epitelials humanes (A549) amb sondes esfèrics a 13, 21 i 37ºC (n = 36 cèl·lules per temperatura). G* va ser mesurada a una indentació de 500 nm tot sobreimposant petites oscil·lacions sinusoïdals (50 nm) de diferents freqüències en el rang de 0.1 a 25.6 Hz. A 37ºC i 0.1 Hz, la part real (G’, mòdul d’emmagatzemament) i la part imaginària (G’’, mòdul de pèrdues) de G* van ser 300 ± 68 Pa (mitjana ± SE) i 95 ± 14 Pa, respectivament. A 13ºC, aquests valors van decréixer significativament 1.5 vegades. Aquests resultats contrasten amb els estimats mitjançant tècniques passives de microreologia, que prediuen un creixement més fort de G* en decréixer la temperatura. Els nostres resultats suggereixen que la reologia del citoesquelet està més influïda per la tensió generada pels motors moleculars que per la contribució de la dinàmica glassy i que les tècniques passives de microreologia no donen resultats acurats de la reologia cel·lular.

1Fabry, B., Maksym, G. N., Butler, J. P., Glogauer, M., Navajas, D., & Fredberg, J. J. 2001, "Scaling the microrheology of living cells", Physical review letters, vol. 8714, no. 14, p. 148102.

2Fabry, B., Maksym, G. N., Butler, J. P., Glogauer, M., Navajas, D., Taback, N. A., Millet, E. J., & Fredberg, J. J. 2003, "Time scale and other invariants of integrative mechanical behavior in living cells", Physical Review E, vol. 68, no. 4 Pt 1, p. 041914. 3Fabry, B. & Fredberg, J. J. 2003, "Remodeling of the airway smooth muscle cell: are we built of glass?", Respiratory physiology & neurobiology, vol. 137, no. 2-3, pp. 109-124.

4Bursac, P., Lenormand, G., Fabry, B., Oliver, M., Weitz, D. A., Viasnoff, V., Butler, J. P., & Fredberg, J. J. 2005, "Cytoskeletal remodelling and slow dynamics in the living cell", Nature materials, vol. 4, no. 7, pp. 557-561.



Diversity can improve the response to a changing environment

Raúl Toral IFISC (Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos) CSIC-UIB

Campus Universitat de les Illes Balears, 07122 Palma de Mallorca

Sessió 7: Física en sistemes biològics-Semiplenària

Usually, and for reasons of mathematical simplicity, it is assumed that the constituent units of an ensemble are all identical. However, it is clear that in many natural systems, specially in the biology field, it is more adequate to consider that the units are not strictly alike since each one generally shows a different response when they all are subjected to the same stimulus. This heterogeneous behavior can be characterized by a disparity in the values of some characteristic parameters. Among other consequences, this natural diversity makes each isolated system to respond differently to an external forcing and it is an open question to investigate the role that diversity has on the global response of the collective system. It is a common belief that diversity leads to disorder and, hence, it could be thought of as something to be avoided if one wants the whole ensemble to respond globally, coherently, to an external stimulus. However, recent developments in the field of so-called stochastic resonance have taught us that some degree of disorder induced by noise can help a non-linear system to display an optimal response to a time dependent external forcing.

Based upon this idea that a constructive role of noise can appear as opposed to its usual disordering role, we have analyzed the similar constructive role that other sources of disorder might have1,2. We have focused our attention in extended systems composed by many coupled units. Previous work in those systems typically assume that the units are all identical and analyze different sources of noise, either internal or external. We have considered that there is some internal degree of diversity in the units, either in the form of heterogeneity in some characteristic parameters (quenched noise), in the distribution of links between the units or in the strength of their connectivities. We show that in all those cases an effect similar to stochastic resonance: the response to an external forcing is optimal under the presence of the right amount of diversity.

Although surprising at first, the fact that the right amount of diversity can enhance the response to an external forcing is not against our intuition. Think, for example, of a society which is very homogeneous in that all the members of the population work on a particular economical field. If the economy tilts and that particular field becomes of less importance, it will have a big negative impact in the overall wealth of the population since they will not be able to follow the change. However, if there is some degree of heterogeneity and fractions of the populations work on different fields, there will be always a section that can adapt easily to the changing economy. The final ingredient that allows the whole society to follow the change is some degree of interaction by which the benefited agents can pull the others.

We present a simple, but very insightful, theory based upon a mean-field type approximation as well as numerical simulations in bistable and excitable prototype systems that confirm our expectations: there is an optimal value of the diversity for which the systems displays an optimal global response to the forcing. We also present some applications to some simple models of opinion formation in which the advertising plays the role of the external forcing and the individuals show diversity in their preferences or the network of connectivities has positive and negative couplings



(corresponding to friends and enemies).

53 C. Tessone, C. Mirasso, R. Toral, J.D. Gunton. "Diversity-induced resonance", Phys. Rev.

Lett, 97, 194101 (2006) . 2 C.J. Tessone, A. Scire, R. Toral, P. Colet, Physical Review E75, 016203 (2007).



Sincronización: un enlace entre geometria y tiempo

Conrado J. Pérez Vicente Departament de Física Fonamental, Facultat de Física, Universitat de Baercelona

Sessió 7: Física en sistemes biològics-Semiplenària Tradicionalmente, el estudio de efectos cooperativos en el comportamiento temporal de poblaciones de agentes permite entender aspectos que gobiernan la dinámica de un sistema. Actualmente hay un creciente interés en profundizar en ciertos comportamientos dinámicos capaces de aportar también información estática relacionada con la topología del sistema así como de la red de interacciones entre sus miembros. En esta charla veremos como la sincronización en la actividad temporal de agentes en sistemas biológicos permite generar un enlace entre geometría y tiempo.



Clonal plant growth and genetic diversity

T. Sintes Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos IFISC (UIB-CSIC). Universitat de les Illes Balears

Sessió 7: Física en sistemes biològics-Semiplenària Theoretical modeling and, more recently, advances in computation techniques (Meakin, 1997) give researchers powerful tools to understand the mechanisms and paths of spatial and genetic pattern formation. Recent studies of the development of marine phanerogams (Posidonia, Cymodocea, …) (Vidondo et al., 1998, Barbà and Duarte, 1998) have observed nonlinearities in growth rates and colonization rhythms, difficult to understand in terms of the usually considered variables. Recently, adaptation of numerical models known in the context of condensed matter physics and of general pattern formation studies (DLE, Eden, …) to the growth of clonal plants has been successful in explaining the variability in occupation rates and morphologies (Sintes et al., 2005; Sintes et al., 2006). One of the aspects not considered yet is the understanding the degree of polymorphism (or endogamy) observed in the meadows (Billingham et al., 2003; Arnaud-Haond et al., 2007). This observation is relevant for the adaptability to physico-chemical environmental changes and species competition. One of the objectives proposed in this work is to advance in the comprehension of these phenomena by integrating in the same study the modelling of genetic variability and spatial distribution of the genotypes. In a previously developed model of clonal plant growth (Sintes et al., 2005; Sintes et al., 2006) the probability of generation of a new genet has been implemented. This probability will act effectively in such a way that resumes the behavior of species that are able to reproduce both sexually and asexually as well as the mutation probability in the process of meristemic cell division. The generation of different genotypes will be considered together with the size and age of the plant.

- S. Arnaud-Haond, M. Migliaccio, E. Díaz-Almela, S. Texeira, M. Susanne van de Vliet, F. Alberto, G. Procaccini, C. M. Duarte and E. A. Serrão .Vicariance patterns in the Mediterranean Sea: east-west cleavage and low dispersal in the endemic seagrass Posidonia oceanica, J. Biogeography 34, 963-976. (2007). - M.R. Billingham, T.B.H. Reusch, F. Alberto and E.A. Serrão . Is asexual reproduction more important at geographical limits? A genetic study of the seagrass Zostera marina in the Ria Formosa, Portugal, Marine Ecology Progress Series 265, 77-83 (2003). - N. Marbà and C.M. Duarte. Rhizome elongation and seagrass clonal growth, Marine Ecology Progress Series 174, 269-280 (1998). - P. Meakin (1997), Fractals, scaling and growth far from equilibrium. Cambridge: Cambridge University Press.

Snapshot of P oceanica after 150 years. The plant extends over 125 m2, contains 22275 nodes and 135 distinct genets - identified with different colours-



- T. Sintes, N. Marbà, C.M. Duarte and G. Kendrick. Non-linear processes in Seagrass Colonisation Explained by Simple Clonal Growth Rules, Oikos 108, 165-175 (2005). - T. Sintes, N. Marbà and C.M. Duarte. Modeling non-linear seagrass clonal growth: Assessing the efficiency of space occupation across the seagrass flora, Estuaries, 29, 72-80 (2006). - B. Vidondo, A. Middleboe, K. Stefansen, T. Lützen, S.L. Nielsen and C.M. Duarte. Dynamics of a patchy seagrass (Cymodocea nodosa) landscape. Size and age distributions, growth and demography of seagrass patches, Marine Ecology Progress Series 158, 131-138 (1997).

XXIV Trobades científiques de la Medirerrània · Vida’. La Societat Catalana de Física (SCF)...

Documents

Transcript of XXIV Trobades científiques de la Medirerrània · Vida’. La Societat Catalana de Física (SCF)...