La navigazione nella chirurgia oncologica ortopedica: Applicazione ed implementazione di nuove tecnologie per il trattamento chirurgico dei tumori dell'apparato muscolo-scheletrico, studio pilota

Nel presente progetto di ricerca, da novembre 2011 a novembre 2013 , sono stati trattati chirurgicamente, con l’assistenza del navigatore , pazienti con tumori ossei primitivi degli arti, del bacino e del sacro, analizzando i risultati degli esami istologici dei margini di resezione del tumore e i risultati clinici e radiografici. Materiali e metodi : Abbiamo analizzato 16 pazienti 9 maschi e 7 femmine , con un'età media di 31 anni (range 12-55 ). Di tutti i pazienti valutati 8 avevano una localizzazione agli arti inferiori , 4 al bacino e 4 all'osso sacro . Solo quelli con osteosarcoma parostale , Cordoma e Condrosarcoma non sono stati sottoposti a terapia antiblastica . Solo un paziente è stato sottoposto a radioterapia postoperatoria per una recidiva locale . Tutti gli altri pazienti non sono stati trattati con la radioterapia per l’ adeguatezza dei margini di resezione . Non ci sono state complicanze intraoperatorie . Nel periodo postoperatorio abbiamo osservato una vescica neurologica , una paresi sciatica, due casi di infezione di cui una superficiale e una profonda, tutti e quattro i pazienti con sarcoma sacrale sviluppati hanno avuto ritardato della guarigione della ferita e di questi tre hanno avuto incontinenza sfinterica. In tutti i casi si è ottenuta una eccellente risultato clinico e radiografico , con soddisfazione del paziente , corretto contatto tra l'osteotomia e l'impianto che apparivano stabili ai primi controlli ambulatoriali ( FU 19 mesi). Risultati: La chirurgia assistita da calcolatore ha permesso di migliorare l’esecuzione delle resezioni ossee prevista dal navigatore. Questa tecnologia è valida e utile per la cure dei tumori dell’apparato scheletrico, soprattutto nelle sedi anatomiche più complesse da trattare come la pelvi, il sacro e nelle resezioni intercalari difficoltose nell’ottenere un margine di resezione ampio e quindi di salvare l’articolazione e l’arto stesso.

Efficacia clinica dello stanozololo intrarticolare nella terapia dell'osteoartrosi di gomito nel cane

Il trattamento dell’osteoartrosi (OA) del cane è una sfida nella pratica clinica veterinaria. Molti trattamenti sono stati proposti, tuttavia la risposta clinica agli stessi non è sempre soddisfacente. Molti farmaci sono utilizzati per il trattamento dell’OA, tra cui farmaci anti-infiammatori non steroidei, corticosteroidi, ed inibitori della produzione dell’ossido nitrico. Lo stanozololo è un derivato sintetico del testosterone; oltre alle sue proprietà anaboliche/androgeniche , a basse dosi lo stanozololo ha un affinità per i recettori glucocorticoidi. Per questa attività antinfiammatoria e rigenerativa sui tessuti articolari danneggiati viene utilizzato nella degenerative joint desease del cavallo. Lo scopo di questo studio è stato di valutare l’efficacia clinica dello stanozololo intra-articolare a 15, 30, 45 e 60 giorni dal trattamento di gomiti con OA di cane. E’ stato eseguito uno studio cieco, multicentrico e randomizzato. Previo consenso informato, sono stati arruolati 48 cani, suddivisi in 3 gruppi e trattati con stanozololo, mavacoxib e con entrambi i farmaci. Sono state valutate zoppia, tollerabilità del trattamento, range of motion, e punteggio radiografico. Inoltre sono state stabilite e annoverate quantità e qualità del liquido sinoviale. Ai dati ottenuti sono stati applicati i test di Kruskal-Wallis, Chi-quadro e Fischer, i quali hanno dimostrato l’efficacia della terapia nei singoli gruppi e tra i diversi gruppi di studio. I risultati ottenuti hanno mostrato la riduzione di almeno un grado di zoppia e la riduzione della progressione dell’OA nei casi trattati con stanozololo. Si può quindi affermare che tale molecola per via intra-articolare può essere una valida alternativa per il trattamento dell’OA di gomito nel cane.

Nuovi metodi di diagnosi precoce dei fallimenti di protesi d'anca con accoppiamento articolare ceramica-ceramica

L’accoppiamento articolare in ceramica è sempre più utilizzato in chirurgia protesica dell’anca per le sue eccellenti proprietà tribologiche. Tuttavia la fragilità della ceramica è causa di fallimenti meccanici. Abbiamo quindi condotto una serie di studi al fine di individuare un metodo efficace di diagnosi precoce del fallimento della ceramica. Abbiamo analizzato delle componenti ceramiche espiantate e abbiamo trovato un pattern di usura pre-frattura che faceva supporre una dispersione di particelle di ceramica nello spazio articolare. Per la diagnosi precoce abbiamo validato una metodica basata sulla microanalisi del liquido sinoviale. Per validare la metodica abbiamo eseguito un agoaspirato in 12 protesi ben funzionanti (bianchi) e confrontato i risultati di 39 protesi con segni di rottura con quelli di 7 senza segni di rottura. Per individuare i pazienti a rischio rottura i dati demografici di 26 pazienti con ceramica rotta sono stati confrontati con 49 controlli comparabili in termini demografici, tipo di ceramica e tipo di protesi. Infine è stata condotta una revisione sistematica della letteratura sulla diagnosi della rottura della ceramica. Nell’aspirato la presenza di almeno 11 particelle ceramiche di dimensioni inferiori a 3 micron o di una maggiore di 3 micron per ogni campo di osservazione sono segno di rottura della ceramica. La metodica con agoaspirato ha 100% di sensibilità e 88 % di specificità nel predire rotture della ceramica. Nel gruppo delle ceramiche rotte è stato trovato un maggior numero di malposizionamenti della protesi rispetto ai controlli (p=0,001). Il rumore in protesi con ceramica dovrebbe sollevare il sospetto di fallimento ed indurre ad eseguire una TC e un agoaspirato. Dal confronto con la letteratura la nostra metodica risulta essere la più efficace.

Identificazione dei meccanismi molecolari responsabili del ruolo oncosoppressivo della molecola CD99 nell'osteosarcoma

CD99, glicoproteina di membrana codificata dal gene MIC2, è coinvolta in numerosi processi cellulari, inclusi adesione, migrazione, apoptosi, differenziamento e regolazione del trafficking intracellulare di proteine, in condizioni fisiologiche e patologiche. Nell’osteosarcoma risulta scarsamente espressa ed ha ruolo oncosoppressivo. L’isoforma completa (CD99wt) e l’isoforma tronca (CD99sh), deleta di una porzione del dominio intracellulare, influenzano in modo opposto la malignità tumorale. In questo studio, comparando cellule di osteosarcoma caratterizzate da differenti capacità metastatiche e diversa espressione di CD99, abbiamo valutato la modulazione dei contatti cellula-cellula, la riorganizzazione del citoscheletro di actina e la modulazione delle vie di segnalazione a valle del CD99, al fine di identificare i meccanismi molecolari regolati da questa molecola e responsabili del comportamento migratorio e invasivo delle cellule di osteosarcoma. L'espressione forzata di CD99wt induce il reclutamento di N-caderina e β-catenina a livello delle giunzioni aderenti ed inibisce l'espressione di molecole cruciali nel processo di rimodellamento del citoscheletro di actina, come ACTR2, ARPC1A, Rho-associated, coiled–coil-containing protein kinase 2 (ROCK2), nonché di ezrina, membro della famiglia ezrin/radixin/moesin e chiaramente associata con la progressione tumorale e la metastatizzazione dell’OS. Gli studi funzionali identificano ROCK2 come mediatore fondamentale nella regolazione della migrazione e della diffusione metastatica dell’osteosarcoma. Mantenendo cSRC in una conformazione inattiva, CD99wt inibisce la segnalazione mediata da ROCK2 inducendo una diminuzione dell’ezrina a livello della membrana accompagnata dalla traslocazione in membrana di N-caderina e β-catenina, principali ponti molecolari per il citoscheletro di actina. La ri-espressione di CD99wt, generalmente presente negli osteoblasti, ma perso nelle cellule di osteosarcoma, attraverso l'inibizione dell'attività di cSrc e ROCK2, aumenta la forza di contatto e riattiva i segnali anti-migratori ostacolando l’azione pro-migratoria, altrimenti dominante, dell’ezrina nell’osteosarcoma. Abbiamo infine valutato la funzione di ROCK2 nel sarcoma di Ewing: nonostante il ruolo oncogenico esercitato da CD99, ROCK2 guida la migrazione cellulare anche in questa neoplasia.

Microenvironment and prognostic factors in bone tumors: IDH mutations in chondrosarcoma

Microenvironment in bone tumors is a dynamic entity composed of cells from different origins (immune cells, stromal cells, mesenchymal stem cells, endothelial cells, pericytes) and vascular structures surrounded by a matrix of different nature (bone, cartilage, myxoid). Interactions between cancer cells and tumor microenvironment (TME) are complex and can change as tumor progress, but are also crucial in determining response to cancer therapies. Chondrosarcoma is the second most frequent bone cancer in adult age, but its treatment still represents a challenge, for the intrinsic resistance to conventional chemotherapy and radiation therapy. This resistance is mainly due to pathological features, as dense matrix, scarce mitoses and poor vascularization, sustained by biological mechanisms only partially delucidated. Somatic mutation in the Krebs cycle enzyme isocytrate dehydrogenase (IDH) have been described in gliomas, acute myeloid leukemia, cholangiocarcinoma, melanoma, colorectal, prostate cancer, thyroid carcinoma and other cancers. In mesenchymal tumors IDH mutations are present in about 50% of central chondrosarcoma. IDH mutations are an early event in chondrosarcoma-genesis, and contribute to the acquisition of malignancy through the block of cellular differentiation, hypoxia induction through HIF stabilization, DNA methylation and alteration of cellular red-ox balance. While in gliomas IDH mutations confers a good prognosis, in chondrosarcoma IDH prognostic role is controversial in different reported series. First aim of this project is to define the prevalence and the prognostic role of IDH mutation in high grade central conventional chondrosarcoma patients treated at Istituto Ortopedico Rizzoli. Second aim is the critical revision of scientific literature to understand better how a genomic event in cancer cell can trigger alteration in the TME, through immune infiltrate reshaping, angiogenesis induction, metabolic and methylation rewiring. Third aim is to screen other sarcoma histotypes for the presence of IDH mutation.

Methods for Biodata Analysis in different Omic Contexts

The world of Computational Biology and Bioinformatics presently integrates many different expertise, including computer science and electronic engineering. A major aim in Data Science is the development and tuning of specific computational approaches to interpret the complexity of Biology. Molecular biologists and medical doctors heavily rely on an interdisciplinary expert capable of understanding the biological background to apply algorithms for finding optimal solutions to their problems. With this problem-solving orientation, I was involved in two basic research fields: Cancer Genomics and Enzyme Proteomics. For this reason, what I developed and implemented can be considered a general effort to help data analysis both in Cancer Genomics and in Enzyme Proteomics, focusing on enzymes which catalyse all the biochemical reactions in cells. Specifically, as to Cancer Genomics I contributed to the characterization of intratumoral immune microenvironment in gastrointestinal stromal tumours (GISTs) correlating immune cell population levels with tumour subtypes. I was involved in the setup of strategies for the evaluation and standardization of different approaches for fusion transcript detection in sarcomas that can be applied in routine diagnostic. This was part of a coordinated effort of the Sarcoma working group of "Alleanza Contro il Cancro". As to Enzyme Proteomics, I generated a derived database collecting all the human proteins and enzymes which are known to be associated to genetic disease. I curated the data search in freely available databases such as PDB, UniProt, Humsavar, Clinvar and I was responsible of searching, updating, and handling the information content, and computing statistics. I also developed a web server, BENZ, which allows researchers to annotate an enzyme sequence with the corresponding Enzyme Commission number, the important feature fully describing the catalysed reaction. More to this, I greatly contributed to the characterization of the enzyme-genetic disease association, for a better classification of the metabolic genetic diseases.

Nuclear shape instability caused by lamin A deregulation promotes invasiveness in pediatric bone sarcomas: from nucleo-cytoskeleton dynamics to novel therapeutic opportunities

Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (EWS) are the two most frequent primary bone tumors, in which metastases remain the most relevant adverse prognostic factor. Lamin A is the main constituent of the nuclear lamina, with a fundamental role in maintaining the connection between nucleus and cytoskeleton (through LINC complex proteins interactions), and its alterations can be implicated in tumor progression. We investigated how nucleo-cytoskeleton dynamics is influenced by lamin A modulation in OS and EWS, demonstrating that both these cancer models had low levels of lamin A, which are linked to a significantly more marked nuclear misshaping. In our in vitro studies, reduced levels of lamin A promoted migratory abilities in these tumors. Moreover, these findings were corroborated by gene expression analyses on EWS patient samples, showing that LMNA levels were significantly lower in metastatic lesions compared to primary tumors and that patients with low LMNA had a significant worse overall survival. We also found that LMNA expression significantly impaired EWS metastases formation in vivo. We demonstrated that low lamin A expression was linked to a severe mislocalization of LINC complex proteins, thus disrupting nucleo-cytoskeleton interactions, with a corresponding gain in malignant properties, which resulted in increased invasiveness. Lamin A overexpression or its accumulation by a statin-based pharmacological treatment allowed us to reconstitute a functional nucleo-cytoskeleton interplay, which resulted in significant downmodulation of ROCK2 and YAP, two crucial drivers of EWS aggressiveness. Our study demonstrated that lamin A is a favorable mediator of nuclear shape stability in bone sarcomas, and its modulation rescues LINC complex protein localization and regulates mechano-signaling pathways, thus promoting a less aggressive cancer phenotype. We also identified statins, already employed in clinical practice, as a tool capable to increase lamin A levels, and to reconstitute functional nucleo-cytoskeletal dynamics, resulting in reduced cellular migration.

Characterization of the molecular mechanisms mediated by the insulin-like growth factor-2 mRNA-binding proteins and Ephrin receptor A2 (EPHA2) signaling in the malignancy of CIC-DUX4 sarcomas

Ewing sarcoma (EWS) and CIC-DUX4 sarcoma (CDS) are pediatric fusion gene-driven tumors of mesenchymal origin characterized by an extremely stable genome and limited clinical solutions. Post-transcriptional regulatory mechanisms are crucial for understanding the development of this class of tumors. RNA binding proteins (RBPs) play a crucial role in the aggressiveness of these tumors. Numerous RBP families are dysregulated in cancer, including IGF2BPs. Among these, IGF2BP3 is a negative prognostic factor in EWS because it promotes cell growth, chemoresistence, and induces the metastatic process. Based on preliminary RNA sequencing data from clinical samples of EWS vs CDS patients, three major axes that are more expressed in CDS have been identified, two of which are dissected in this PhD work. The first involves the transcription factor HMGA2, IGF2BP2-3, and IGF2; the other involves the ephrin receptor system, particularly EphA2. EphA2 is involved in numerous cellular functions during embryonic stages, and its increased expression in adult tissues is often associated with pathological conditions. In tumors, its role is controversial because it can be associated with both pro- and anti-tumoral mechanisms. In EWS, it has been shown to play a role in promoting cell migration and neoangiogenesis. Our study has confirmed that the HMGA2/IGF2BPs/IGF2 axis contributes to CDS malignancy, and Akt hyperactivation has a strong impact on migration. Using loss/gain of function models for EphA2, we confirmed that it is a substrate of Akt, and Akt hyperactivation in CDS triggers ligand-independent activation of EphA2 through phosphorylation of S897. Moreover, the combination of Trabectedin and NVP/BEZ235 partially inhibits Akt/mTOR activation, resulting in reduced tumor growth in vivo. Inhibition of EphA2 through ALWII 41_27 significantly reduces migration in vitro. The project aim is the identification of target molecules in CDS that can distinguish it from EWS and thus develop new targeted therapeutic strategies.