Farming and processing factors for improving quality properties of poultry and rabbit meat

Recently, global meat market is facing several dramatic changes due to shifting in diet and life style, consumer demands, and economical considerations. Firstly, there was a tremendous increase in the poultry meat demand. Furthermore, current forecast and projection studies pointed out that the expansion of the poultry market will continue in future. In response to this demand, there was a great success to increase growth rate of meat-type chickens in the last few decades in order to optimize the production of poultry meat. Accordingly, the increase of growth rate induced the appearance of several muscle abnormalities such as pale-soft-exudative (PSE) syndrome and deep-pectoral-myopathy (DPM) and more recently white striping and wooden breast. Currently, there is growing interest in meat industry to understand how much the magnitude of the effect of these abnormalities on different quality traits for raw and processed meat. Therefore, the major part of the research activities during the PhD project was dedicated to evaluate the different implications of recent muscle abnormalities such as white striping and wooden breast on meat quality traits and their incidence under commercial conditions. Generally, our results showed that the incidence of these muscle abnormalities was very high under commercial conditions and had great adverse impact on meat quality traits. Secondly, there is growing market share of convenient, healthy, and functional processed meat products. Accordingly, the remaining part of research activities of the PhD project was dedicated to evaluate the possibility to formulate processed meat products with higher perceived healthy profile such as phosphate free-marinated chicken meat and low sodium-marinated rabbit meat products. Overall all findings showed that sodium bicarbonate can be considered as promising component to replace phosphates in meat products, while potassium chloride under certain conditions was successfully used to produce low marinated rabbit meat products.

Quality and safety of oils and fats obtained as co-products or by-products of the food chain and destined to animal production

The aim of the first part of this thesis was to evaluate the effect of trans fatty acid- (TFA), contaminant, polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)- and oxidation productenriched diets on the content of TFA and conjugated linoleic acid (CLA) isomers in meat and liver of both poultry and rabbit. The enriched feedings were prepared with preselected fatty co-and by-products that contained low and high levels of TFA (low, palm fatty acid distillate; high, hydrogenated palm fatty acid distillate), environmental contaminants (dioxins and PCBs) (two different fish oils), PAH (olive oil acid oils and pomace olive oil from chemical refining, for low and high levels) and oxidation products (sunflower-olive oil blend before and after frying), so as to obtain single feedings with three enrichment degrees (high, medium and low) of the compound of interest. This experimental set-up is a part of a large, collaborative European project (http://www.ub.edu/feedfat/), where other chemical and health parameters are assessed. Lipids were extracted, methylated with diazomethane, then transmethylated with 2N KOH/methanol and analyzed by GC and silver-ion TLC-GC. TFA and CLA were determined in the fats, the feedings, meat and liver of both poultry and rabbit. In general, the level of TFA and CLA in meat and liver mainly varied according to those originally found in the feeding fats. It must be pointed out, though, that TFA and CLA accumulation was different for the two animal species, as well as for the two types of tissues. The TFA composition of meat and liver changes according to the composition of the oils added to the feeds with some differences between species. Chicken meat with skin shows higher TFA content (2.6–5.4 fold) than rabbit meat, except for the “PAH” trial. Chicken liver shows higher TFA content (1.2–2.1 fold) than rabbit liver, except for the “TRANS” and “PAH” trials. In both chicken and rabbit meats, the TFA content was higher for the “TRANS” trial, followed by the “DIOXIN” trial. Slight differences were found on the “OXIDATION” and “PAH” trends in both types of meats. In both chicken and rabbit livers, the TFA content was higher for the “TRANS” trial, followed by those of the “PAH”, “DIOXIN” and “OXIDATION” trials. This trend, however, was not identical to that of feeds, where the TFA content varied as follows: “TRANS” > “DIOXIN” >“PAH” > “OXIDATION”. In chicken and rabbit meat samples, C18:1 TFA were the most abundant, followed by C18:2 TFA and C18:3 TFA, except for the “DIOXIN” trial where C18:3 TFA > C18:2 TFA. In chicken and rabbit liver samples of the “TRANS” and “OXIDATION” trials, C18:1 TFA were the most abundant, followed by C18:2 TFA and C18:3 TFA, whereas C18:3 TFA > C18:2 in the “DIOXIN” trial. Slight differences were found on the “PAH” trend in livers from both species. The second part of the thesis dealt with the study of lipid oxidation in washed turkey muscle added with different antioxidants. The evaluation on the oxidative stability of muscle foods found that oxidation could be measured by headspace solid phase microestraction (SPME) of hexanal and propanal. To make this method effective, an antioxidant system was added to stored muscle to stop the oxidative processes. An increase in ionic strength of the sample was also implemented to increase the concentration of aldehydes in the headspace. This method was found to be more sensitive than the commonly used thiobarbituric acid reactive substances (TBARs) method. However, after antioxidants were added and oxidation was stopped, the concentration of aldehydes decreased. It was found that the decrease in aldehyde concentration was due to the binding of the aldehydes to muscle proteins, thus decreasing the volatility and making them less detectable.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Characterization of L-type Calcium Channel Binding-Site of a new class of Calcium modulators by a Multidisciplinary approach

Many potential diltiazem related L-VDCC blockers were developed using a multidisciplinary approach. This current study was to investigate and compare diltiazem with to the newly developed compounds by mouse Langendorff-perfused heart, Ca2+-transient and on recombinant L-VDCC. Twenty particular compounds were selected by the ligand-based virtual screening procedure (LBVS). From these compounds, five of them (5b, M2, M7, M8 and P1) showed a potent and selective inotropic activity on guinea-pig left atria driven 1 Hz. Further assays displayed an interesting negative inotropic effect of M2, M8, P1 and M7 on guinea pig isolated left papillary muscle driven at 1 Hz, a relevant vasorelaxant activity of 5b, M2, M7, M8 and P1 on K+-depolarized guinea-pig ileum longitudinal smooth muscle and a significant inhibition of contraction of 5b, M2, M8 and P1 on carbachol stimulated ileum longitudinal smooth muscle. Wild-type human heart and rabbit lung α1 subunits were expressed (combined with the regulatory α2δ and β3 subunits) in Xenopus Leavis oocytes using a two-electrode voltage clamp technique. Diltiazem is a benzothiazepine Ca2+ channel blocker used clinically for its antihypertensive and antiarrhythmic effects. Previous radioligand binding assays revealed a complex interaction with the benzothiazepine binding site for M2, M7 and M8. (Carosati E. et al. J. Med Chem. 2006, 49; 5206). In agreement with this findings, the relative order of increased rates of contraction and relaxation at lower concentrations s(≤10-6M) in unpaced hearts was M7>M2>M8>P1. Similar increases in Ca2+ transient were observed in cardiomyocytes. Diltiazem showed negative inotropic effects whereas 5b had no significant effect. Diltiazem blocks Ca2+current in a use-dependent manner and facilitates the channel by accelerating the inactivation and decelerating the recovery from inactivation. In contrast to diltiazem, the new analogs had no pronounced use-dependence. Application of 100 μM M8, M2 showed ~ 10% tonic block; in addition, M8, M2 and P1 shifted the steady state inactivation in hyperpolarized direction and the current inactivation time was significantly decreased compared with control (219.6 ± 11.5 ms, 226 ± 14.5 vs. 269 ± 12.9 vs. 199.28 ± 8.19 ms). Contrary to diltiazem, the recovery from the block by M8 and M2 was comparable to control. Only P1 showed a significantly decrease of the time for the recovery from inactivation. All of the compounds displayed the same sensitivity on the Ca2+ channel rabbit lung α1 except P1. Taken together, these findings suggest that M8, M2 and P1 might directly decrease the binding affinity or allow rapid dissociation from the benzothiazepine binding site.

Survey on the spirilar flora of Lagomorphs

Members of the genera Campylobacter and Helicobacter have been in the spotlight in recent decades because of their status as animals and/or humans pathogens, both confirmed and emerging, and because of their association with food-borne and zoonotic diseases. First observations of spiral shaped bacteria or Campylobacter-like organisms (CLO) date back to the end of the 19th century, however the lack of adequate isolation methods hampered further research. With the introduction of methods such as selective media and a filtration procedure during the 1970s led to a renewed interest in Campylobacter, especially as this enabled elucidation of their role in human hosts. On the other hand the classification and identification of these bacteria was troublesome, mainly because of the biochemical inertness and fastidious growth requirements. In 1991, the taxonomy of Campylobacter and related organisms was thoroughly revised, since this revision several new Campylobacter and Helicobacter species have been described. Moreover, thanks to the introduction of a polyphasic taxonomic practice, the classification of these novel species is well-founded. Indeed, a polyphasic approach was here followed for characterizing eight isolates obtained from rabbits epidemiologically not correlated and as a result a new Campylobacter species was proposed: Campylobacter cuniculorum (Chapter 1). Furthermore, there is a paucity of data regarding the occurrence of spiral shaped enteric flora in leporids. In order to define the prevalence both of this new species and other CLO in leporids (chapter 2), a total of 85 whole intestinal tracts of rabbits reared in 32 farms and 29 capture hares, epidemiologically not correlated, were collected just after evisceration at the slaughterhouse or during necroscopy. Examination and isolation methods were varied in order to increase the sensibility level of detection, and 100% of rabbit farms resulted positive for C. cuniculorum in high concentrations. Moreover, in 3.53% of the total rabbits examined, a Helicobacter species was detected. Nevertheless, all hares resulted negative both for Campylobacter or Helicobacter species. High prevalence of C. cuniculorum were found in rabbits, and in order to understand if this new species could play a pathological role, a study on some virulence determinants of C. cuniculorum was conducted (Chapter 3). Although this new species were able to adhere and invade, exert cytolethal distending toxin-like effects although at a low titre, a cdtB was not detected. There was no clear relationship between source of isolation or disease manifestation and possession of statistically significantly levels of particular virulence-associated factors although, cell adhesion and invasion occurred. Furthermore, antibiotic susceptibility was studied (chapter 4) in Campylobacter and in Escherichia coli strains, isolated from rabbits. It was possible to find acquired resistance of C. cuniculorum to enrofloxacin, ciprofloxacin and erytromycin. C. coli isolate was susceptible to all antimicrobial tested and moreover it is considered as a wild-type strain. Moreover, E. coli was found at low caecal concentration in rabbits and 30 phenotypes of antibiotic resistance were founded as well as the high rate of resistances to at least one antibiotic (98.1%). The majority of resistances were found from strains belonging to intensive farming system. In conclusion, in the course of the present study a new species isolated from rabbits was described, C. cuniculorum, and its high prevalence was established. Nevertheless, in hare samples no Campylobacter and Helicobacter species were detected. Some virulence determinants were further analyzed, however further studied are needed to understand the potential pathogenicity of this new species. On the other hand, antimicrobial susceptibility was monitored both in C. cuniculorum and indicator bacteria and acquired resistance was observed towards some antibiotics, indicating a possible role of rabbitries in the diffusion of antibiotic resistance. Further studies are necessary to describe and evaluate the eventual zoonotic role of Campylobacter cuniculorum.

Structural and functional analysis of centromeric chromatin

Animal neocentromeres are defined as ectopic centromeres that have formed in non-centromeric locations and avoid some of the features, like the DNA satellite sequence, that normally characterize canonical centromeres. Despite this, they are stable functional centromeres inherited through generations. The only existence of neocentromeres provide convincing evidence that centromere specification is determined by epigenetic rather than sequence-specific mechanisms. For all this reasons, we used them as simplified models to investigate the molecular mechanisms that underlay the formation and the maintenance of functional centromeres. We collected human cell lines carrying neocentromeres in different positions. To investigate the region involved in the process at the DNA sequence level we applied a recent technology that integrates Chromatin Immuno-Precipitation and DNA microarrays (ChIP-on-chip) using rabbit polyclonal antibodies directed against CENP-A or CENP-C human centromeric proteins. These DNA binding-proteins are required for kinetochore function and are exclusively targeted to functional centromeres. Thus, the immunoprecipitation of DNA bound by these proteins allows the isolation of centromeric sequences, including those of the neocentromeres. Neocentromeres arise even in protein-coding genes region. We further analyzed if the increased scaffold attachment sites and the corresponding tighter chromatin of the region involved in the neocentromerization process still were permissive or not to transcription of within encoded genes. Centromere repositioning is a phenomenon in which a neocentromere arisen without altering the gene order, followed by the inactivation of the canonical centromere, becomes fixed in population. It is a process of chromosome rearrangement fundamental in evolution, at the bases of speciation. The repeat-free region where the neocentromere initially forms, progressively acquires extended arrays of satellite tandem repeats that may contribute to its functional stability. In this view our attention focalized to the repositioned horse ECA11 centromere. ChIP-on-chip analysis was used to define the region involved and SNPs studies, mapping within the region involved into neocentromerization, were carried on. We have been able to describe the structural polymorphism of the chromosome 11 centromeric domain of Caballus population. That polymorphism was seen even between homologues chromosome of the same cells. That discovery was the first described ever. Genomic plasticity had a fundamental role in evolution. Centromeres are not static packaged region of genomes. The key question that fascinates biologists is to understand how that centromere plasticity could be combined to the stability and maintenance of centromeric function. Starting from the epigenetic point of view that underlies centromere formation, we decided to analyze the RNA content of centromeric chromatin. RNA, as well as secondary chemically modifications that involve both histones and DNA, represents a good candidate to guide somehow the centromere formation and maintenance. Many observations suggest that transcription of centromeric DNA or of other non-coding RNAs could affect centromere formation. To date has been no thorough investigation addressing the identity of the chromatin-associated RNAs (CARs) on a global scale. This prompted us to develop techniques to identify CARs in a genome-wide approach using high-throughput genomic platforms. The future goal of this study will be to focalize the attention on what strictly happens specifically inside centromere chromatin.

Reconstructive Microsurgery and Tissue Engineering in Musculo-Skeletal Oncology - Innovative Techniques

Tumors involving bone and soft tissues are extremely challenging situations. With the recent advances of multi-modal treatment, not only the type of surgery has moved from amputation to limb-sparing procedures, but also the survivorship has improved considerably and reconstructive techniques have the goal to allow a considerably higher quality of life. In bone reconstruction, tissue engineering strategies are the main area of research. Re-vascularization and re-vitalisation of a massive allograft would considerably improve the outcome of biological reconstructions. Using a rabbit animal model, in this study we showed that, by implanting a vascular pedicle inside a weight bearing massive cortical allograft, the bone regeneration inside the allograft was higher compared to the non-vascularized implants, given the patency of the vascular pedicle. Improvement in the animal model and the addition of Stem Cells and Growth factors will allow a further improvement in the results. In soft tissue tumors, free and pedicled flaps have been proven to be of great help as reconstruction strategies. In this study we analyzed the functional and overall outcome of 14 patients who received a re-innervated vascularized flap. We have demonstrated that the use of the innovative technique of motor re-innervated muscular flaps is effective when the resection involves important functional compartments of the upper or lower limb, with no increase of post-operative complications. Although there was no direct comparison between this type of reconstruction and the standard non-innervated reconstruction, we underlined the remarkable high overall functional scores and patient satisfaction following this procedure.

Il coniglio come modello sperimentale per lo studio degli effetti neurologici indotti da Cobalto

Sono stati studiati gli effetti tossici dell’esposizione cronica a cobalto e cromo. In passato, questa tossicità, che colpiva lavoratori esposti per ragioni occupazionali, è stata un problema molto sentito. Tuttavia, recenti pubblicazioni hanno descritto una specifica tossicità mediata da elevati livelli di cobalto e cromo, anche in pazienti portatori di protesi metalliche, quali gli impianti d’anca. Anche se sintomi clinici tra cui, cecità, sordità e neuropatia periferica, suggeriscono uno specifico neurotropismo, ancora poco è conosciuto delle basi neuropatologiche di questo processo ed oltretutto non ne è ancora stata apportata un’evidenza sperimentale. In questo progetto di ricerca, quindi, si è voluto approfondire il meccanismo patogenetico da cui scaturiscono tali sintomi neurologici, utilizzando come modello sperimentale il coniglio. Conigli New Zealand White sono stati trattati con dosi endovenose ripetute di cobalto e cromo, inoculati singolarmente od in associazione tra loro. Nessuna evidente alterazione clinica o patologica è stata associata alla somministrazione di solo cromo, nonostante gli elevati livelli in sangue e tessuti, mentre i trattati con cobalto-cromo o solo cobalto hanno mostrato segni clinici gravanti sul sistema vestibolo-cocleare; il cobalto, quindi, è stato identificato come il maggiore elemento scatenante neurotossicità. Inoltre all’esame istopatologico gli animali hanno mostrato severa deplezione delle cellule gangliari retiniche e cocleari, assieme a danno al nervo ottico e perdita di cellule sensitive capellute dell’orecchio. È risultato infine evidente che la gravità delle alterazioni è stata correlata al dosaggio ed al tempo di esposizione; dati questi che confermano, quindi, le precedenti osservazioni fatte su pazienti umani esposti a rilascio abnorme di cobalto e cromo da usura di protesi d’anca. È stato ipotizzato che il cobalto agisca sui mitocondri provocando l’incremento di produzione di specie reattive dell’ossigeno e il rilascio di fattori proapoptotici, causando sulle cellule neuronali un danno proporzionale al loro fabbisogno energetico e grado di mielinizzazione.

Trattamento delle lesioni osteocondrali di grado I e II mediante infiltrazione intra-articolare di fattori di crescita autologhi (plasma rich in platelets)

The use of Platelet-rich plasma (PRP), a platelet concentrate made of autogenous blood, is becoming use in the treatment of some orthopaedic diseases. The aim of this study is to assess the effect of PRP on articular cartilage defects in a rabbit model (10 subjects). Twenty osteochondral defects created in the femoropatellar groove, were in ten cases left untreated and in ten cases treated with autogenous PRP. PRP was obtained using a double centrifugation of the rabbit’s blood harvested before the operation. 30 days after the lesion was made in both knee, the left one in each rabbit was treated by a PRP injection, followed by other two injection at 45 and 60 days. Tissue specimens were assessed by macroscopic examination and histological evaluation, that showed a better healing of the lesions in the knee treated with PRP injections.

Valutazione sperimentale della rigenerazione cartilaginea articolare dopo stimolazione biofisica con campi elettromagnetici pulsati in associazione a trattamenti chirurgici

Diverse tecniche di ingegneria tessutale sono state sviluppate per promuovere la riparazione delle lesioni della cartilagine articolare. Nonostante i buoni risultati clinici a breve termine, il tessuto rigenerato fallisce nel tempo poiché non possiede le caratteristiche meccaniche e funzionali della cartilagine articolare nativa. La stimolazione con campi elettromagnetici pulsati (CEMP) rappresenta un approccio terapeutico innovativo. I CEMP aumentano l’attività anabolica dei condrociti con conseguente incremento della sintesi della matrice, e limitano l’effetto catabolico delle citochine pro-infiammatorie riducendo la degradazione della cartilagine nel microambiente articolare. I CEMP agiscono mediante l’up-regolazione dei recettori adenosinici A2A potenziando il loro affetto anti-infiammatorio. Lo scopo di questo studio è stato quello di valutare l’effetto della stimolazione con CEMP sulla guarigione di difetti osteocondrali in un modello sperimentale nel coniglio. Un difetto osteocondrale del diametro di 4mm è stato eseguito nel condilo femorale mediale di entrambe le ginocchia di 20 conigli. A destra la lesione è stata lasciata a guarigione spontanea mentre a sinistra e stata trattata mediante inserimento di scaffold collagenico o trapianto di cellule mesenchimali midollari sul medesimo scaffold precedentemente prelevate dalla cresta iliaca. In base al trattamento eseguito 10 animali sono stati stimolati con CEMP 4 ore/die per 40 giorni mentre altri 10 hanno ricevuto stimolatori placebo. Dopo il sacrificio a 40 giorni, sono state eseguite analisi istologiche mediante un punteggio di O’Driscoll modificato. Confrontando le lesioni lasciate a guarigione spontanea, la stimolazione con CEMP ha migliorato significativamente il punteggio (p=0.021). Lo stesso risultato si è osservato nel confronto tra lesioni trattate mediante trapianto di cellule mesenchimali midollari (p=0.032). Nessuna differenza è stata osservata tra animali stimolati e placebo quando la lesione è stata trattata con il solo scaffold (p=0.413). La stimolazione con CEMP è risultata efficace nel promuovere la guarigione di difetti osteocartilaginei in associazione a tecniche chirurgiche di ingegneria tessutale.

Computational Modeling of Cardiac Excitation-Contraction Coupling in Physiological and Pathological Conditions

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis.

Studio sulla perfusione di fegato e milza in animali non convenzionali mediante ecografia e tomografia computerizzata (TC) con mezzo di contrasto

Il presente studio rappresenta la prima applicazione della tecnica CEUS in alcune delle più diffuse specie non convenzionali, nonché la prima nei rettili. In particolare è stata investigata la perfusione di fegato e milza in 10 conigli, 10 furetti e il fegato in 8 iguane. Per quanto riguarda i mammiferi, la tecnica è risultata di facile attuazione e i risultati ottenuti erano equiparabili a quelli documentati per i piccoli animali. Maggiore variabilità si è messa in evidenza a livello splenico in entrambe le specie e nel coniglio rispetto al furetto. Nelle iguane è stata necessaria una modifica del protocollo a seguito dei tempi più lunghi delle fasi di wash in e di wash out. Le curve ottenute erano caratterizzate da picchi più bassi e TTP più lunghi, con wash out incompleto anche dopo 10 minuti di indagine. Nelle iguane l’indagine del fegato è stata approfondita grazie all’esecuzione di TC dinamiche con MDC, studio pioneristico per quanto riguarda la medicina dei rettili. L’esecuzione è avvenuta senza problemi in anestesia generale. Diffusione del MDC e conseguenti variazione di HU a livello aortico e epatico sono state considerate contemporaneamente, con costruzione di curve HU-tempo piuttosto ripetibili, entrambe caratterizzate da un wash in rapido, un picco, particolarmente alto a livello aortico, e da una fase di wash out più lento, anche qui incompleto dopo i 600 secondi di indagine. Una certa variabilità è stata notata in tre individui, risultato attendibile conseguentemente alla forte dipendenza da fattori intriseci ed estrinseci del metabolismo e della funzionalità epatica dei rettili. L’intero protocollo è stato applicato in un furetto e due iguane patologiche, al fine di evidenziare le potenzialità cliniche delle tecniche. Sebbene il numero esiguo di casi non permetta di trarre conclusioni a questo riguardo, l’ultimo capitolo della tesi vuole essere uno spunto per studi futuri.

Closed-loop investigation of the dynamical properties of cardiomyocyte electrophysiology by means of Dynamic clamp and Mathematical modelling

The research field of my PhD concerns mathematical modeling and numerical simulation, applied to the cardiac electrophysiology analysis at a single cell level. This is possible thanks to the development of mathematical descriptions of single cellular components, ionic channels, pumps, exchangers and subcellular compartments. Due to the difficulties of vivo experiments on human cells, most of the measurements are acquired in vitro using animal models (e.g. guinea pig, dog, rabbit). Moreover, to study the cardiac action potential and all its features, it is necessary to acquire more specific knowledge about single ionic currents that contribute to the cardiac activity. Electrophysiological models of the heart have become very accurate in recent years giving rise to extremely complicated systems of differential equations. Although describing the behavior of cardiac cells quite well, the models are computationally demanding for numerical simulations and are very difficult to analyze from a mathematical (dynamical-systems) viewpoint. Simplified mathematical models that capture the underlying dynamics to a certain extent are therefore frequently used. The results presented in this thesis have confirmed that a close integration of computational modeling and experimental recordings in real myocytes, as performed by dynamic clamp, is a useful tool in enhancing our understanding of various components of normal cardiac electrophysiology, but also arrhythmogenic mechanisms in a pathological condition, especially when fully integrated with experimental data.

Computational Modelling of Cardiac Electrophysiology: from Cell to Bedside

Heart diseases are the leading cause of death worldwide, both for men and women. However, the ionic mechanisms underlying many cardiac arrhythmias and genetic disorders are not completely understood, thus leading to a limited efficacy of the current available therapies and leaving many open questions for cardiac electrophysiologists. On the other hand, experimental data availability is still a great issue in this field: most of the experiments are performed in vitro and/or using animal models (e.g. rabbit, dog and mouse), even when the final aim is to better understand the electrical behaviour of in vivo human heart either in physiological or pathological conditions. Computational modelling constitutes a primary tool in cardiac electrophysiology: in silico simulations, based on the available experimental data, may help to understand the electrical properties of the heart and the ionic mechanisms underlying a specific phenomenon. Once validated, mathematical models can be used for making predictions and testing hypotheses, thus suggesting potential therapeutic targets. This PhD thesis aims to apply computational cardiac modelling of human single cell action potential (AP) to three clinical scenarios, in order to gain new insights into the ionic mechanisms involved in the electrophysiological changes observed in vitro and/or in vivo. The first context is blood electrolyte variations, which may occur in patients due to different pathologies and/or therapies. In particular, we focused on extracellular Ca2+ and its effect on the AP duration (APD). The second context is haemodialysis (HD) therapy: in addition to blood electrolyte variations, patients undergo a lot of other different changes during HD, e.g. heart rate, cell volume, pH, and sympatho-vagal balance. The third context is human hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a genetic disorder characterised by an increased arrhythmic risk, and still lacking a specific pharmacological treatment.