Structural and cellular characterization of Idiopathic Pulmonary Fibrosis

La Fibrosi Polmonare Idiopatica (IPF) è una malattia polmonare cronica, irreversibile la cui eziologia risulta essere ignota, caratterizzata da un processo fibrotico progressivo che inizia nel tratto respiratorio inferiore. Le persone affette da IPF presentano età media compresa tra 55 e 77 anni. L’incidenza annuale di IPF è stata recentemente stimata tra 14 e 42,7 casi per 100.000 persone e tale dato risulta essere in aumento. IPF fa parte delle malattie Polmonari Idiopatiche Interstiziali (IIP) che comprendono patologie con quadri istologici e clinici differenti. Le affezioni su cui si concentrerà questo studio sono: UIP (Usual Interstitial Pneumonia) caratterizzata da fibrosi interstiziale e dalla presenza di foci fibrotici connessi alla pleura e corrispondente al quadro anatomopatologico della maggior parte dei casi di IPF; NSIP (Non Specific Interstitial Pneumonia) simile alla UIP ma con maggiore uniformità temporale e spaziale delle manifestazioni; Sarcoidosi, malattia granulomatosa ad eziologia ignota. Attualmente la gravità della IPF, che implica una mortalità del 50% dei pazienti a 5 anni dall’esordio, e la scarsa efficacia farmacologica nel rallentarne la progressione vedono il trapianto polmonare come unica possibilità di sopravvivenza nelle forme più severe. Al momento non è chiaro il meccanismo patogenetico di insorgenza e progressione della IPF anche se sono stati individuati alcuni fattori scatenanti quali fumo di sigaretta, infezioni respiratorie e inquinanti atmosferici; tuttavia nessuno di tali elementi può da solo determinare un così esteso e progressivo rimodellamento del parenchima polmonare. Numerose sono le evidenze di come il substrato genetico, le alterazioni del rapporto morte/proliferazione cellulare e le citochine svolgano un ruolo nella genesi e nella progressione della malattia, ma non sono ancora chiari i fenomeni biologico-cellulari che la sostengono e, quindi, quali siano i punti di attacco per poter incidere terapeuticamente nel modificare l’evoluzione della IPF. Poiché il nostro laboratorio ha partecipato alla scoperta dell’esistenza di cellule staminali nel polmone umano normale, uno degli obiettivi finali di questo progetto si basa sull’ipotesi che un’alterazione del compartimento staminale svolga un ruolo cruciale nella eziopatogenesi di IPF. Per questo in precedenti esperienze abbiamo cercato di identificare nella IPF cellule che esprimessero antigeni associati a staminalità quali c-kit, CD34 e CD133. Questo lavoro di tesi si è proposto di condurre un’indagine morfometrica ed immunoistochimica su biopsie polmonari provenienti da 9 pazienti affetti da UIP, 3 da NSIP e 5 da Sarcoidosi al fine di valutare le alterazioni strutturali principali imputabili alle patologie. Preparati istologici di 8 polmoni di controllo sono stati usati come confronto. Come atteso, è stato osservato nelle tre patologie esaminate (UIP, NSIP e Sarcoidosi) un significativo incremento nella sostituzione del parenchima polmonare con tessuto fibrotico ed un ispessimento dei setti alveolari rispetto ai campioni di controllo. L’analisi dei diversi pattern di fibrosi presenti fa emergere come vi sia una netta differenza tra le patologie con una maggiore presenza di fibrosi di tipo riparativo e quindi altamente cellulata nei casi di UIP, e NSIP mentre nelle Sarcoidosi il pattern maggiormente rappresentato è risultato essere quello della fibrosi replacement o sostitutiva. La quantificazione delle strutture vascolari è stata effettuata tenendo separate le aree di polmone alveolare rispetto a quelle occupate da focolai sostitutivi di danno (componente fibrotica). Nei campioni patologici analizzati era presente un significativo riarrangiamento di capillari, arteriole e venule rispetto al polmone di controllo, fenomeno principalmente riscontrato nel parenchima fibrotico. Tali modifiche erano maggiormente presenti nei casi di NSIP da noi analizzati. Inoltre le arteriole subivano una diminuzione di calibro ed un aumento dello spessore in special modo nei polmoni ottenuti da pazienti affetti da Sarcoidosi. Rispetto ai controlli, nella UIP e nella Sarcoidosi i vasi linfatici risultavano inalterati nell’area alveolare mentre aumentavano nelle aree di estesa fibrosi; quadro differente si osservava nella NSIP dove le strutture linfatiche aumentavano in entrambe le componenti strutturali. Mediante indagini immunoistochimiche è stata documentata la presenza e distribuzione dei miofibroblasti, positivi per actina muscolare liscia e vimentina, che rappresentano un importante componente del danno tissutale nella IPF. La quantificazione di questo particolare fenotipo è attualmente in corso. Abbiamo inoltre analizzato tramite immunoistochimica la componente immunitaria presente nei campioni polmonari attraverso la documentazione dei linfociti T totali che esprimono CD3, andando poi a identificare la sottopopolazione di T citotossici esprimenti la glicoproteina CD8. La popolazione linfocitaria CD3pos risultava notevolmente aumentata nelle tre patologie analizzate soprattutto nei casi di UIP e Sarcoidosi sebbene l`analisi della loro distribuzione tra i vari distretti tissutali risultasse differente. Risultati simili si sono ottenuti per l`analisi dei linfociti CD8pos. La componente monocito-macrofagica è stata invece identificata tramite la glicoproteina CD68 che ha messo in evidenza una maggiore presenza di cellule positive nella Sarcoidosi e nella UIP rispetto ai casi di NSIP. I dati preliminari di questo studio indicano che il rimodellamento strutturale emo-linfatico e cellulare infiammatorio nella UIP si differenziano rispetto alle altre malattie interstiziali del polmone, avanzando l’ipotesi che il microambiente vascolare ed immunitario giochino un ruolo importante nella patogenesi della malattia

The tectonically-confined Firenzuola turbidite system (Miocene, Marnoso-arenacea Formation, northern Apennines, Italy): an example of facies variations related to the basin morphology

The Firenzuola turbidite system formed during a paroxysmal phase of thrust propagation, involving the upper Serravallian deposits of the Marnoso-arenacea Formation (MAF). During this phase the coeval growth of two major tectonic structures, the M. Castellaccio thrust and the Verghereto high, played a key role, causing a closure of the inner basin and a coeval shift of the depocentre to the outer basin. This work focuses on this phase of fragmentation of the MAF basin; it is based on a new detailed high-resolution stratigraphic framework, which was used to determine the timing of growth of the involved structures and their direct influence on sediment dispersal and on the lateral and vertical turbidite facies distribution. The Firenzuola turbidite system stratigraphy is characterized by the occurrence of mass-transport complexes (MTCs) and thick sandstone accumulation in the depocentral area, which passes to finer drape over the structural highs; the differentiation between these two zones increases over time and ends with the deposition of marly units over the structural highs and the emplacement of the Visignano MTC. According to the stratigraphic pattern and turbidite facies characteristics, the Firenzuola System has been split into two phases, namely Firenzuola I and Firenzuola II: the former is quite similar to the underlying deposits, while the latter shows the main fragmentation phase, testifying the progressive isolation of the inner basin and a coeval shift of the depocentre to the outer basin. The final stratigraphic and sedimentological dataset has been used to create a quantitative high-resolution 3D facies distribution using the Petrel software platform. This model allows a detailed analysis of lateral and vertical facies variations that can be exported to several reservoirs settings in hydrocarbon exploration and exploitation areas, since facies distributions and geometries of the reservoir bodies of many sub-surface turbidite basins show a significant relationship to the syndepositional structural activity, but are beyond seismic resolution.

Stratigrafia fisica ed analisi di facies dei depositi torbiditici della Formazione delle Arenarie del Monte Cervarola tra la Val Secchia e la Val Scoltenna (Aquitaniano-Burdigaliano, Appennino Settentrionale)

The Cervarola Sandstones Formation (CSF), Aquitanian-Burdigalian in age, was deposited in an elongate, NW-stretched foredeep basin formed in front of the growing Northern Apennines orogenic wedge. The stratigraphic succession of the CSF, in the same way of other Apennine foredeep deposits, records the progressive closure of the basin due to the propagation of thrust fronts toward north-east, i.e. toward the outer and shallower foreland ramp. This process produce a complex foredeep characterized by synsedimentary structural highs and depocenters that can strongly influence the lateral and vertical turbidite facies distribution. Of consequence the main aim of this work is to describe and discuss this influence on the basis of a new high-resolution stratigraphic framework performed by measuring ten stratigraphic logs, for a total thickness of about 2000m, between the Secchia and Scoltenna Valleys (30km apart). In particular, the relationship between the turbidite sedimentation and the ongoing tectonic activity during the foredeep evolution has been describe through various stratigraphic cross sections oriented parallel and perpendicular to the main tectonic structures. On the basis of the high resolution physical stratigraphy of the studied succession, we propose a facies tract and an evolutionary model for the Cervarola Sandstones in the studied area. Thanks to these results and the analogies with others foredeep deposits of the northern Apennines, such as the Marnoso-arenacea Formation, the Cervarola basin has been interpreted as a highly confined foredeep controlled by an intense synsedimentary tectonic activity. The most important evidences supporting this hypothesis are: 1) the upward increase, in the studied stratigraphic succession (about 1000m thick), of sandstone/mudstone ratio, grain sizes and Ophiomorpha-type trace fossils testifying the high degree of flow deceleration related to the progressive closure and uplift of the foredeep. 2) the occurrence in the upper part of the stratigraphic succession of coarse-grained massive sandstones overlain by tractive structures such as megaripples and traction carpets passing downcurrent into fine-grained laminated contained-reflected beds. This facies tract is interpreted as related to deceleration and decoupling of bipartite flows with the deposition of the basal dense flows and bypass of the upper turbulent flows. 3) the widespread occurrence of contained reflected beds related to morphological obstacles created by tectonic structures parallel and perpendicular to the basin axis (see for example the Pievepelago line). 4) occurrence of intra-formational slumps, constituted by highly deformed portion of fine-grained succession, indicating a syn-sedimentary tectonic activity of the tectonic structures able to destabilize the margins of the basin. These types of deposits increase towards the upper part of the stratigraphic succession (see points 1 and 2) 5) the impressive lateral facies changes between intrabasinal topographic highs characterized by fine-grained and thin sandstone beds and marlstones and depocenters characterized by thick to very thick coarse-grained massive sandstones. 6) the common occurrence of amalgamation surfaces, flow impact structures and mud-draped scours related to sudden deceleration of the turbidite flows induced by the structurally-controlled confinement and morphological irregularities. In conclusion, the CSF has many analogies with the facies associations occurring in other tectonically-controlled foredeeps such as those of Marnoso-arenacea Formation (northern Italy) and Annot Sandstones (southern France) showing how thrust fronts and transversal structures moving towards the foreland, were able to produce a segmented foredeep that can strongly influence the turbidity current deposition.

Geochemical and Sr, Nd, Pb isotope investigation of the New Caledonia ophiolite

The New Caledonia ophiolite hosts one of the largest obducted mantle section in the world, hence providing a unique insight for the study of upper mantle processes. These mantle rocks belong to an “atypical” ophiolitic sequence, which is dominated by refractory harzburgites but it also includes minor spinel and plagioclase lherzolites. Upper crust is notably absent in the ophiolite, with the exception of some mafic-ultramafic cumulates cropping out in the southern part of the island. Although the New Caledonia ophiolite has been under investigation for decades, its ultra-depleted nature has made its characterization an analytical challenge, so that few trace element data are available, while isotopic data are completely missing. In this thesis a comprehensive geochemical study (major, trace element and Sr-Nd-Pb isotopes) of the peridotites and the associated intrusive mafic rocks from the New Caledonia ophiolite has been carried out. The peridotites are low-strain tectonites showing porphyroclastic textures. Spinel lherzolites are undepleted lithotypes, as attested by the presence of 7-8 vol% of Na2O and Al2O3-rich clinopyroxene (up to 0.5 wt% Na2O; 6.5 wt% Al2O3), Fo content of olivine (88.5-90.0 mol%) and low Cr# of spinel (13-17). Conversely, harzburgites display a refractory nature, proven by the remarkable absence of primary clinopyroxene, very high Fo content in olivine (90.9-92.9 mol%), high Mg# in orthopyroxene (89.8-94.2) and Cr# in spinel (39-71). REE contents show abyssal-type patterns for spinel lherzolites, while harzburgites display U-shaped patterns, typical of fore-arc settings. Spinel lherzolites REE compositions are consistent with relatively low degree (8-9%) of fractional melting of a DMM source, starting in the garnet stability field. Conversely, REE models for harzburgites indicate high melting degrees (20-25%) of a DMM mantle source under spinel faies conditions, consistent with hydrous melting in forearc setting. Plagioclase lherzolites exhibit melt impregnation microtextures, Cr- and TiO2-enriched spinels and REE, Ti, Y, Zr progressive increase with respect to spinel lherzolites. Impregnation models indicate that plagioclase lherzolites may derive from spinel lherzolites by entrapment of highly depleted MORB melts in the shallow oceanic lithosphere. Mafic intrusives are olivine gabbronorites with a very refractory composition, as attested by high Fo content of olivine (87.3-88.9 mol.%), very high Mg# of clinopyroxene (87.7-92.2) and extreme anorthitic content of plagioclase (An = 90-96 mol%). The high Mg#, low TiO2 concentrations in pyroxenes and the anorthitic composition of plagioclase point out an origin from ultra-depleted primitive magmas in a convergent setting. Geochemical trace element models show that the parental melts of gabbronorites are primitive magmas with striking depleted compositions, bearing only in part similarities with the primitive boninitic melts of Bonin Islands. The first Sr, Nd and Pb isotope data obtained for the New Caledonia ophiolite highlight the presence of DM mantle source variably modified by different processes. Nd-Sr-Pb isotopic ratios for the lherzolites (+6.98≤epsilon Ndi≤+10.97) indicate a DM source that suffered low-temperature hydrothermal reactions. Harzburgites are characterized by a wide variation of Sr, Nd and Pb isotopic values, extending from DM-type to EM2 compositions (-0.82≤ epsilon Ndi≤+17.55), suggesting that harzburgite source was strongly affected by subduction-related processes. Conversely, combined trace element and Sr-Nd-Pb isotopic data for gabbronorites indicate a derivation from a source with composition similar to Indian-type mantle, but affected by fluid input in subduction environment. These geochemical features point out an evolution in a pre-Eocenic marginal basin setting, possibly in the proximity of a transform fault, for the lherzolites. Conversely, the harzburgites acquired their main geochemical and isotopic fingerprint in subduction zone setting.