Bioengineering of exercise: biomechanical and metabolic aspects

The field of research of this dissertation concerns the bioengineering of exercise, in particular the relationship between biomechanical and metabolic knowledge. This relationship can allow to evaluate exercise in many different circumstances: optimizing athlete performance, understanding and helping compensation in prosthetic patients and prescribing exercise with high caloric consumption and minimal joint loading to obese subjects. Furthermore, it can have technical application in fitness and rehabilitation machine design, predicting energy consumption and joint loads for the subjects who will use the machine. The aim of this dissertation was to further understand how mechanical work and metabolic energy cost are related during movement using interpretative models. Musculoskeletal models, when including muscle energy expenditure description, can be useful to address this issue, allowing to evaluate human movement in terms of both mechanical and metabolic energy expenditure. A whole body muscle-skeletal model that could describe both biomechanical and metabolic aspects during movement was identified in literature and then was applied and validated using an EMG-driven approach. The advantage of using EMG driven approach was to avoid the use of arbitrary defined optimization functions to solve the indeterminate problem of muscle activations. A sensitivity analysis was conducted in order to know how much changes in model parameters could affect model outputs: the results showed that changing parameters in between physiological ranges did not influence model outputs largely. In order to evaluate its predicting capacity, the musculoskeletal model was applied to experimental data: first the model was applied in a simple exercise (unilateral leg press exercise) and then in a more complete exercise (elliptical exercise). In these studies, energy consumption predicted by the model resulted to be close to energy consumption estimated by indirect calorimetry for different intensity levels at low frequencies of movement. The use of muscle skeletal models for predicting energy consumption resulted to be promising and the use of EMG driven approach permitted to avoid the introduction of optimization functions. Even though many aspects of this approach have still to be investigated and these results are preliminary, the conclusions of this dissertation suggest that musculoskeletal modelling can be a useful tool for addressing issues about efficiency of movement in healthy and pathologic subjects.

Chemical characterization of atmospheric secondary organic aerosol of biogenic and anthropogenic origin

The main objective of this thesis was the chemical characterization of synthetic secondary organic aerosol (SOA) produced from atmospherically relevant anthropogenic and biogenic VOCs during reaction chamber experiments. In parallel, the resulting chemical features of these laboratory-SOA were used to interpret the composition of ambient samples of atmospheric fine particulate matter collected at several sites in Europe, in order to determine the fraction of ambient aerosol organic mass accounted for by biogenic and anthropogenic SOA.

Paleontological studies of Cretaceous vertebrate fossil beds in the Tataouine Basin (southern Tunisia)

The ‘Continental Intercalaire’ deposits of the Tataouine basin of southern Tunisia preserve one of the most diverse Cretaceous vertebrate fauna from Africa. This research project focuses on a detailed revision of the stratigraphic distribution of mid-Cretaceous fossil beds in the Tataouine Basin and includes the description of four, newly discovered vertebrate tracksites. In the Tataouine region, macro- and microvertebrate remains are recovered from three stratigraphic intervals: the lower Douiret Formation (Barremian), the Chenini (rare) and Oum ed Diab members of the Aïn El Guettar Formation (Albian). A detailed, basin-scale revision of the stratigraphic occurrence of fossil-bearing strata indicates 1. lateral facies variability within the context of a low gradient, circalittoral to coastal-plain environment; 2. multiple and diachronous fossil beds which include elasmobranchs, actinopterygians, sarcopterygians, turtles, crocodyliforms, pterosaurs, and non-avian dinosaurs remains. Four vertebrate tracksites have been discovered in the study area: 1. the Middle Jurassic Beni Ghedir site which preserves approximately 130 tridactyl footprints distributed over an area of 200 square meters, representing the oldest evidence of a dinosaur fauna in Tunisia; 2. the late Albian Chenini tracksite, which includes poorly preserved crocodilian tracks and the dinosaur ichnospecies Apulosauripus federicianus; 3. the Cenomanian Ksar Ayaat locality, where footprints assigned to a pleurodiran turtle are exposed, and 4. the upper Cenomanian Jebel Boulouha site which presents almost 100 well-preserved tridactyl tracks referred to small-sized theropods, fossil bird tracks - ichnogenus Koreanaorins – and tracks referred to a mammalian trackmaker, representing the first report of fossil bird and mammal from the Cretaceous of continental Africa and Tunisia respectively. In addition, data collected from the Tunisian tracksites have been compared with coeval tracksites in Italy and Croatia, showing analogies in morphology and paleoenvironment of dinosaur ichnoassociations, supporting the already hypothesized subaerial connection between these areas during the mid-Cretaceous.

N-Heterocyclic carbene complexes of rhodium: structures, dynamics and catalysis

A series of imidazolium salts of the type [BocNHCH2CH2ImR]X (Boc = t-Bu carbamates; Im = imidazole) (R = Me, X = I, 1a; R = Bn, X = Br, 1b; R = Trityl, X = Cl, 1c) and [BnImR’]X (R’ = Me, X = Br, 1d; R’ = Bn, X = Br, 1e; R’ = Trityl, X = Cl, 1g; R’ = tBu, X = Br, 1h) bearing increasingly bulky substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these precursors were employed in the synthesis of silver(I)-N-heterocyclic (NHC) complexes as transmetallating reagents for the preparation of rhodium(I) complexes [RhX(NBD)(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl; R = Me, 4a; R = Bn, 4b; R = Trityl, 4c; X = I, R = Me, 5a; NHC = 1-Bn-3-R’-imidazolin-2-ylidene; X = Cl; R’ = Me, 4d, R’ = Bn, 4e, R’ = Trityl, 4g; R’ = tBu, 4h). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. While the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bn (4a,b,d,e and 5a) matched the experimental values, this was not true for the complexes 4c,g, bearing a trityl group for which the values are much smaller than the calculated ones. Energy barriers for 4c,g, derived from a line shape simulation, showed a strong dependence on the temperature while for 4h the rotational energy barrier is stopped at room temperature. The catalytic activity of the new rhodium compounds was investigated in the hydrosilylation of terminal alkynes and in the addition of phenylboronic acid to benzaldehyde. The imidazolium salts 1d,e were also employed in the synthesis of new iron(II)-NHC complexes. Finally, during a six-months stay at the University of York a new ligand derived from Norharman was prepared and employed in palladium-mediated cross-coupling.

Chemistry of aerosol particles and fog droplets during fall-winter season in the Po Valley

Air quality represents a key issue in the so-called pollution “hot spots”: environments in which anthropogenic sources are concentrated and dispersion of pollutants is limited. One of these environments, the Po Valley, normally experiences exceedances of PM10 and PM2.5 concentration limits, especially in winter when the ventilation of the lower layers of the atmosphere is reduced. This thesis provides a highlight of the chemical properties of particulate matter and fog droplets in the Po Valley during the cold season, when fog occurrence is very frequent. Fog-particles interactions were investigated with the aim to determine their impact on the regional air quality. Size-segregated aerosol samples were collected in Bologna, urban site, and San Pietro Capofiume (SPC), rural site, during two campaigns (November 2011; February 2013) in the frame of Supersito project. The comparison between particles size-distribution and chemical composition in both sites showed the relevant contribution of the regional background and secondary processes in determining the Po Valley aerosol concentration. Occurrence of fog in November 2011 campaign in SPC allowed to investigate the role of fog formation and fog chemistry in the formation, processing and deposition of PM10. Nucleation scavenging was investigated with relation to the size and the chemical composition of particles. We found that PM1 concentration is reduced up to 60% because of fog scavenging. Furthermore, aqueous-phase secondary aerosol formation mechanisms were investigated through time-resolved measurements. In SPC fog samples have been systematically collected and analysed since the nineties; a 20 years long database has been assembled. This thesis reports for the first time the results of this long time series of measurements, showing a decrease of sulphate and nitrate concentration and an increase of pH that reached values close to neutrality. A detailed discussion about the occurred changes in fog water composition over two decades is presented.

Effetti della somministrazione di Testosterone in donne

Come noto, il testosterone (T) gioca un ruolo importante in differenti funzioni fisiologiche. Il ruolo del T nelle donne è tuttavia largamente sconosciuto. Recenti studi riportano un ruolo del T nella modulazione della funzionalità sessuale femminile. SCOPO: Indagare gli effetti del T nelle donne, su parametri metabolici, ossei e composizione corporea e studiare gli effetti del T sulla proliferazione e innervazione della vagina. METODI: 16 soggetti FtM ovariectomizzati sono stati sottoposti a terapia con TU 1000 mg im + placebo o dutasteride. Alla settimana 0 e 54 sono stati valutati: parametri metabolici e composizione corporea. 16 campioni di tessuto vaginale ottenuti da soggetti FtM trattati con T, 16 donne PrM e 16 donne M sono stati analizzati. Sono stati valutati: morfologia, contenuto di glicogeno, espressione del Ki-67, recettori per estrogeni e androgeni ed innervazione. RISULTATI: La somministrazione di T in soggetti FtM determina aumento del colesterolo LDL e riduzione delle HDL. L’HOMA si riduce significativamente nel gruppo TU e tende ad aumentare nel gruppo TU+D. L’ematocrito aumenta. BMI, WHR e grasso tendono a ridursi, la massa magra ad aumentare. Non riportiamo cambiamenti del metabolismo osseo. Nel tessuto vaginale di FtM osserviamo perdita della normale architettura dell’epitelio. La somministrazione di T determina riduzione della proliferazione cellulare. I recettori per E e il PGP 9.5 sono significativamente ridotti nei FtM. La presenza di recettori per A è dimostrata nello stroma e nell’epitelio. L’espressione di AR si riduce con l’età e non cambia con la terapia con T nella mucosa, mentre aumenta nello stroma dopo somministrazione di T. CONCLUSIONI: Non riportiamo effetti avversi maggiori dopo somministrazione di T. La terapia con T determina ridotta proliferazione dell’epitelio vaginale. I recettori per AR sono presenti sia nello stroma che nell’epitelio. T aumenta l’espressione di AR nello stroma.

Caratteristiche cliniche ed ecografiche dei Sarcomi Uterini

Obiettivo: descrivere le caratteristiche ecografiche e flussimetriche dei sarcoma uterini Materiali e Metodi: Dall'archivio anatomopatologico di due cliniche Universitarie sono state reclutate retrospettivamente tutte le pazienti con diagnosi anatomopatologica di sarcoma uterino. Tutte le cartelle cliniche, le immagini e i filmati digitalizzati sono stati analizzati e dati raccolti in un database. Risultati: Sono stati inclusi nello studio 49 casi, che comprendono 17 leiomiosarcoma, 14 sarcoma dello stroma endometriale e 18 carcinosarcoma. L'età media alla diagnosi è stata 62 anni (range 35-87). L'ottanta per cento delle pazienti erano in menopausa al momento della diagnosi. Circa la metà delle pazienti presentavano sanguinamento anomalo e il 20% dolore pelvico. La maggior parte delle lesioni sono apparse iso-ipoecogene, senza coni d’ombra (47/49;96%). Conclusioni: I sarcomi uterini sono un gruppo eterogeneo di tumori che presentano aspetti ecografici diversi anche in relazione all’istotipo. Conoscere le diverse caratteristiche può essere utile ai fini di una corretta diagnosi. Nel nostro studio l’assenza dei coni d’ombra risulta essere l’aspetto più significativo.

Valutazione dell’impiego dei test per la genotipizzazione di HPV e l’espressione degli oncogeni virali nel follow-up di donne conizzate per lesioni cervicali di alto grado nello screening del cervico-carcinoma della Regione Emilia-Romagna

Obiettivi: Valutare la prevalenza dei diversi genotipi di HPV in pazienti con diagnosi di CIN2/3 nella Regione Emilia-Romagna, la persistenza genotipo-specifica di HPV e l’espressione degli oncogeni virali E6/E7 nel follow-up post-trattamento come fattori di rischio di recidiva/persistenza o progressione di malattia; verificare l’applicabilità di nuovi test diagnostici biomolecolari nello screening del cervicocarcinoma. Metodi: Sono state incluse pazienti con citologia di screening anormale, sottoposte a trattamento escissionale (T0) per diagnosi di CIN2/3 su biopsia mirata. Al T0 e durante il follow-up a 6, 12, 18 e 24 mesi, oltre al Pap test e alla colposcopia, sono state effettuate la ricerca e la genotipizzazione dell'HPV DNA di 28 genotipi. In caso di positività al DNA dei 5 genotipi 16, 18, 31, 33 e/o 45, si è proceduto alla ricerca dell'HPV mRNA di E6/E7. Risultati preliminari: Il 95.8% delle 168 pazienti selezionate è risultato HPV DNA positivo al T0. Nel 60.9% dei casi le infezioni erano singole (prevalentemente da HPV 16 e 31), nel 39.1% erano multiple. L'HPV 16 è stato il genotipo maggiormente rilevato (57%). Il 94.3% (117/124) delle pazienti positive per i 5 genotipi di HPV DNA sono risultate mRNA positive. Abbiamo avuto un drop-out di 38/168 pazienti. A 18 mesi (95% delle pazienti) la persistenza dell'HPV DNA di qualsiasi genotipo era del 46%, quella dell'HPV DNA dei 5 genotipi era del 39%, con espressione di mRNA nel 21%. Abbiamo avuto recidiva di malattia (CIN2+) nel 10.8% (14/130) a 18 mesi. Il pap test era negativo in 4/14 casi, l'HPV DNA test era positivo in tutti i casi, l'mRNA test in 11/12 casi. Conclusioni: L'HR-HPV DNA test è più sensibile della citologia, l'mRNA test è più specifico nell'individuare una recidiva. I dati definitivi saranno disponibili al termine del follow-up programmato.

Combinazioni androgeno-progestiniche per la contraccezione maschile

La contraccezione è un diritto fondamentale dell’uomo per il suo ruolo sulla salute, sulla qualità della vita e sul benessere della persona. La pianificazione familiare è uno dei principali strumenti che dà la possibilita’ a uomini e donne di condividere le proprie responsabilità sulla scelta contraccettiva e di decidere nella stessa misura della propria vita riproduttiva. Sin dall’introduzione della contraccezione femminile, la responsabilita’ della pianificazione familiare è ricaduta unicamente sulla donna. Attualmente infatti vi sono pochissimi metodi contraccettivi a disposizione degli uomini anche se vi e’ un rinnovato interesse da parte di questi ultimi nel sostenere le proprie partner nella scelta contraccettiva. Questo lavoro riassume i principali studi effettuati negli ultimi 10 allo scopo di sviluppare un contraccettivo che sia sicuro, efficace, reversibile e accettabile per l’uomo.

Sindrome da insensitività completa agli androgeni e massa ossea. Valutazione basale e longitudinale dopo oltre 12 mesi di terapia estrogenica

L’osso è un tessuto target per estrogeni ed androgeni ma l’azione singola e la sinergia tra i due non sono compresi interamente. Le donne affette da Sindrome da Insensititvità Completa agli Androgeni (CAIS) hanno un cariotipo 46XY ma presentano una completa inattività del recettore degli androgeni. Nello studio abbiamo valutato la densità minerale ossea (BMD) in un gruppo di donne adulte CAIS sottoposte a gonadectomia al momento della prima visita e dopo almeno 12 mesi di terapia estrogenica. Il principale obiettivo è stato di valutare se, nelle donne CAIS, una ottimale estrogenizzazione fosse sufficiente a mantenere/ripristinare una adeguata BMD. 24 donne CAIS sono state sottoposte a DXA lombare e femorale all'arruolamento nello studio (t1), dopo terapia estrogenica di 12mesi(t2) e oltre (t>2). Sono state valutate: BMD(g/cm2) e Zscore lombare e femorale (a t1,t2 e t>2) E’ stato considerato se fossero rilevanti l’essere (gruppo1) o meno (gruppo 2) in terapia ormonale al t1 e l’età della gonadectomia. Risultati: Al t1 BMD e Zscore lombari e femorale erano significativamente ridotti rispetto alla popolazione controllo nel campione totale (lombare 0,900+0,12; -1,976+0,07, femorale 0,831 + 0,14; -1,385+0,98), nel gruppo 1 (lombare 0,918+0,116;-1,924+0,79, femorale 0,824+0,13;-1,40+1,00) e nel gruppo 2 (lombare 0.845+0,11 -2,13+1,15, femorale 0,857+0,17;-1,348+1,05) Al t2 e t>2 la BMD lombare è risultata significativamente aumentata (p=0,05 e p=0,02). Zscore lombare, BMD e Zscore femorale non hanno dimostrato variazioni significative. L’aver effettuato la gonadectomia in età post puberale è associato a Zscore lombare e femorale più elevati al t1. Nelle donne CAIS la terapia estrogenica è indispensabile per prevenire un'ulteriore perdita di BMD ma, da sola, non sembra in grado di ripristinare normali valori di BMD.I risultati del nostro studio supportano la tesi che gli androgeni, mediante l’azione recettoriale, abbiano un' azione diretta nel raggiungere e mantenere la BMD.

Identity Changes and Consumer Behavior. How Becoming Parents Changes Our Consumption Choices

This research aims at investigating the impact of the identity change on consumption. An identity change is defined as the acquisition of a new identity after a life change event. For instance after the birth of the first child the new identity as parent is acquired and a woman can define herself as a mother. Despite marketing research recognizes that individuals’ identity is unstable and susceptible to change, the investigation of the identity change is still in its infancy. Furthermore, marketing research did not investigate the contextual effect of the new as well as the old identity on individuals’ reaction toward identity-marketing. In order words, whether people show a more favorable reaction toward product related to their new or their old identities after an identity change is still unclear. In order to answer this question, five studies are conducted. Results show that when the new identity substitutes the old one, people show a more positive reaction toward new-identity related products, while when the new identity is added to the old ones, people show a more positive reaction toward old-identity related products. This is the case also when the new identity accounts for high levels of identification (study three) and when the old identity is squeezed by the new one (studies four and five). A new concept, the identity strain, is then introduced and discussed.