Influence of Electromagnetic Fields On Biological Signalling: An Experimental and Theoretical Approach

The primary goals of this study were to develop a cell-free in vitro assay for the assessment of nonthermal electromagnetic (EMF) bioeffects and to develop theoretical models in accord with current experimental observations. Based upon the hypothesis that EMF effects operate by modulating Ca2+/CaM binding, an in vitro nitric oxide (NO) synthesis assay was developed to assess the effects of a pulsed radiofrequency (PRF) signal used for treatment of postoperative pain and edema. No effects of PRF on NO synthesis were observed. Effects of PRF on Ca2+/CaM binding were also assessed using a Ca2+-selective electrode, also yielding no EMF Ca2+/CaM binding. However, a PRF effect was observed on the interaction of hemoglobin (Hb) with tetrahydrobiopterin, leading to the development of an in vitro Hb deoxygenation assay, showing a reduction in the rate of Hb deoxygenation for exposures to both PRF and a static magnetic field (SMF). Structural studies using pyranine fluorescence, Gd3+ vibronic sideband luminescence and attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy were conducted in order to ascertain the mechanism of this EMF effect on Hb. Also, the effect of SMF on Hb oxygen saturation (SO2) was assessed under gas-controlled conditions. These studies showed no definitive changes in protein/solvation structure or SO2 under equilibrium conditions, suggesting the need for real-time instrumentation or other means of observing out-of-equilibrium Hb dynamics. Theoretical models were developed for EMF transduction, effects on ion binding, neuronal spike timing, and dynamics of Hb deoxygenation. The EMF sensitivity and simplicity of the Hb deoxygenation assay suggest a new tool to further establish basic biophysical EMF transduction mechanisms. If an EMF-induced increase in the rate of deoxygenation can be demonstrated in vivo, then enhancement of oxygen delivery may be a new therapeutic method by which clinically relevant EMF-mediated enhancement of growth and repair processes can occur.

Collective effects for the LHC injectors: non-ultrarelativistic approaches

The upgrade of the CERN accelerator complex has been planned in order to further increase the LHC performances in exploring new physics frontiers. One of the main limitations to the upgrade is represented by the collective instabilities. These are intensity dependent phenomena triggered by electromagnetic fields excited by the interaction of the beam with its surrounding. These fields are represented via wake fields in time domain or impedances in frequency domain. Impedances are usually studied assuming ultrarelativistic bunches while we mainly explored low and medium energy regimes in the LHC injector chain. In a non-ultrarelativistic framework we carried out a complete study of the impedance structure of the PSB which accelerates proton bunches up to 1.4 GeV. We measured the imaginary part of the impedance which creates betatron tune shift. We introduced a parabolic bunch model which together with dedicated measurements allowed us to point to the resistive wall impedance as the source of one of the main PSB instability. These results are particularly useful for the design of efficient transverse instability dampers. We developed a macroparticle code to study the effect of the space charge on intensity dependent instabilities. Carrying out the analysis of the bunch modes we proved that the damping effects caused by the space charge, which has been modelled with semi-analytical method and using symplectic high order schemes, can increase the bunch intensity threshold. Numerical libraries have been also developed in order to study, via numerical simulations of the bunches, the impedance of the whole CERN accelerator complex. On a different note, the experiment CNGS at CERN, requires high-intensity beams. We calculated the interpolating Hamiltonian of the beam for highly non-linear lattices. These calculations provide the ground for theoretical and numerical studies aiming to improve the CNGS beam extraction from the PS to the SPS.

Multiscale fabrication of functional materials for life sciences

Regenerative medicine claims for a better understanding of the cause-effect relation between cell behaviour and environment signals. The latter encompasses topographical, chemical and mechanical stimuli, electromagnetic fields, gradients of chemo-attractants and haptotaxis. In this perspective, a spatial control of the structures composing the environment is required. In this thesis I describe a novel approach for the multiscale patterning of biocompatible functional materials in order to provide systems able to accurately control cell adhesion and proliferation. The behaviour of different neural cell lines in response to several stimuli, specifically chemical, topographical and electrical gradients is presented. For each of the three kind of signals, I chose properly tailored materials and fabrication and characterization techniques. After a brief introduction on the state of art of nanotechnology, nanofabrication techniques and regenerative medicine in Chapter 1 and a detailed description of the main fabrication and characterization techniques employed in this work in Chapter 2, in Chapter 3 an easy route to obtain accurate control over cell proliferation close to 100% is described (chemical control). In Chapter 4 (topographical control) it is shown how the multiscale patterning of a well-established biocompatible material as titanium dioxide provides a versatile and robust method to study the effect of local topography on cell adhesion and growth. The third signal, viz. electric field, is investigated in Chapter 5 (electrical control), where the very early stages of neural cell adhesion are studied in the presence of modest steady electric fields. In Chapter 6 (appendix) a new patterning technique, called Lithographically Controlled Etching (LCE), is proposed. It is shown how LCE can provide at the same time the micro/nanostructuring and functionalization of a surface with nanosized objects, thus being suitable for applications both in regenerative medicine in biosensing.

Campi elettromagnetici pulsanti nella terapia dell'artrosi del cane

The aim of this study is to evaluate the effects of the pulsed electromagnetic fields (PEMFS) on pain relief and functional capacity of dogs with osteoarthritis by which a single centre study prospective clinical trial. PEMFs are non ionized, athermic and time varying electromagnetic fields that has been successfully used for the treatment of osteoarthritis in human thanks to their chondroprotective, antinflammatory and analgesic property. 20 dogs were treated with PEMFs , 3 times per week for a total of 20 sessions.We found beneficial effects on pain relief and lameness in the absence of adverse effect. The decrease of pain impacted positively on the health-dogs related quality of life and the grade of satisfaction of their owner was very high. The benefits were obvious at half therapy and lasted for a medium long time. This is the first published report concerning PEMFs treatment on canine osteoarthtitis. The result of this study proves that PEMFs is a non –invasive remedy, lacking in adverse effect , easy to employ and useful for controlling pain and inflammation associated with osteoarthritis.

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.

Vector meson photoproduction in ultra-peripheral heavy ion collisions with ALICE at the LHC

Ultra-relativistic heavy ions generate strong electromagnetic fields which offer the possibility to study γ-γ and γ-nucleus processes at the LHC in the so called ultra-peripheral collisions (UPC). The photoproduction of J/ψ vector mesons in UPC is sensitive to the gluon distribution of the interacting nuclei. In this thesis the study of coherent and incoherent J/ψ production in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV is described. The J/ψ has been measured via its leptonic decay in the rapidity range -0.9 < y < 0.9. The cross section for coherent and incoherent J/ψ are given. The results are compared to theoretical models for J/ψ production and the coherent cross section is found to be in good agreement with those models which include nuclear gluon shadowing consistent with EPS09 parametrization. In addition the cross section for the process γ γ→ e+e− has been measured and found to be in agreement with the STARLIGHT Monte Carlo predictions. The analysis has been published by the ALICE Collaboration in the European Physical Journal C, with one of its main plot depicted on the cover-front of the November 2013 issue.

Stimolazione precoce della consolidazione ossea in pazienti con frattura di gamba attraverso campi elettromagnetici pulsati basata su un algoritmo predittivo del rischio diritardo di consolidazione ossea (ARRCO – Algoritmo Rischio Ritardo Consolidazione Ossea – IGEA®).

E' stato sviluppato un algoritmo predittivo del rischio di consolidazione ossea (ARRCO – Algoritmo Rischio Ritardo Consolidazione Ossea - IGEA, Carpi, Italy) che combina diversi fattori correlati al rischio di ritardata o mancata guarigione di una frattura. Questo algoritmo ha permesso di idntificare una popolazione di pazienti affetti da fratture con aumentato rischio di ritardo di consolidazione o mancata guarigione. Questi pazienti sono stati sottoposti precocemente a stimolazione biofisica precoce mediante Campi Elettromagnetici Pulsati a bassa frequenza (CEMP), ottenendo la guarigione della frattura nella maggior parte dei casi e in tempi considerati fisiologici. Pertanto in un gruppo selezionato di pazienti, il trattamento può essere indirizzato all'applicazione precoce di CEMP, al fine di promuovere la consolidazione ossea di una frattura "a richio", il cui trattamento richiederebbe altrimenti tempi più prolungati e un costo virtuale maggiore dell'intero trattamento sanitario.

Implicazioni teoriche e sperimentali della sincronizzazione assoluta nella teoria della relatività speciale

Sono indagate le implicazioni teoriche e sperimentali derivanti dall'assunzione, nella teoria della relatività speciale, di un criterio di sincronizzazione (detta assoluta) diverso da quello standard. La scelta della sincronizzazione assoluta è giustificata da alcune considerazioni di carattere epistemologico sullo status di fenomeni quali la contrazione delle lunghezze e la dilatazione del tempo. Oltre che a fornire una diversa interpretazione, la sincronizzazione assoluta rappresenta una estensione del campo di applicazione della relatività speciale in quanto può essere attuata anche in sistemi di riferimento accelerati. Questa estensione consente di trattare in maniera unitaria i fenomeni sia in sistemi di riferimento inerziali che accelerati. L'introduzione della sincronizzazione assoluta implica una modifica delle trasformazioni di Lorentz. Una caratteristica di queste nuove trasformazioni (dette inerziali) è che la trasformazione del tempo è indipendente dalle coordinate spaziali. Le trasformazioni inerziali sono ottenute nel caso generale tra due sistemi di riferimento aventi velocità (assolute) u1 e u2 comunque orientate. Viene mostrato che le trasformazioni inerziali possono formare un gruppo pur di prendere in considerazione anche riferimenti non fisicamente realizzabili perché superluminali. È analizzato il moto rigido secondo Born di un corpo esteso considerando la sincronizzazione assoluta. Sulla base delle trasformazioni inerziali si derivano le trasformazioni per i campi elettromagnetici e le equazioni di questi campi (che sostituiscono le equazioni di Maxwell). Si mostra che queste equazioni contengono soluzioni in assenza di cariche che si propagano nello spazio come onde generalmente anisotrope in accordo con quanto previsto dalle trasformazioni inerziali. L'applicazione di questa teoria elettromagnetica a sistemi accelerati mostra l'esistenza di fenomeni mai osservati che, pur non essendo in contraddizione con la relatività standard, ne forzano l'interpretazione. Viene proposto e descritto un esperimento in cui uno di questi fenomeni è misurabile.

Mobi - kids - rischio di tumori cerebrali ed esposizione a campi a radiofrequenza nei bambini e negli adolescenti

Introduzione. Il rapido e globale incremento dell’utilizzo dei telefoni cellulari da parte degli adolescenti e dei bambini ha generato un considerevole interesse circa i possibili effetti sulla salute dell’esposizione a campi elettromagnetici a radiofrequenza. Perciò è stato avviato lo studio internazionale caso-controllo Mobi-kids, all’interno del quale si colloca quello italiano condotto in 4 Regioni (Piemonte, Lombardia, Toscana, Emilia-Romagna). Obiettivi. Lo studio ha come obiettivo quello di valutare la stima del rischio degli effetti potenzialmente avversi di queste esposizioni sul sistema nervoso centrale nei bambini e negli adolescenti. Materiali e Metodi. La popolazione include tutte le persone di età compresa tra 10 e 24 anni residenti nelle 4 Regioni, con una diagnosi confermata di neoplasia cerebrale primitiva, diagnosticata durante il periodo di studio (3 anni). Sono stati selezionati due controlli - ospedalizzati per appendicite acuta - per ciascun caso. I controlli sono stati appaiati individualmente a ciascun caso per età, sesso e residenza del caso. Risultati. In Italia sono stati intervistati a Giugno 2014, 106 casi e 191 controlli. In Emilia-Romagna i casi reclutati sono stati fino ad ora 21 e i controlli 20, con una rispondenza del’81% e dell’65% rispettivamente. Dei 41 soggetti totali, il 61% era di sesso maschile con un’età media generale pari a 16,5 (±4,5) anni. Inoltre il 44% degli intervistati proveniva dalla classe di età più giovane (10-14). In merito allo stato di appaiamento, nella nostra Regione sono state effettuate 7 triplette (33%) - 1 caso e 2 controlli - e 6 doppiette (29%) - 1 caso ed 1 controllo. Conclusioni. Nonostante le varie difficoltà affrontate data la natura del progetto, l’esperienza maturata fin ad ora ha comunque portato alla fattibilità dello studio e porterà probabilmente a risultati che contribuiranno alla comprensione dei potenziali rischi di neoplasie cerebrali associati all'uso di telefoni cellulari tra i giovani.

Nonlinear / electromagnetic co-simulation and co-design of microwave links in highly polluted and / or strongly inhomogeneous environments

The objective of the Ph.D. thesis is to put the basis of an all-embracing link analysis procedure that may form a general reference scheme for the future state-of-the-art of RF/microwave link design: it is basically meant as a circuit-level simulation of an entire radio link, with – generally multiple – transmitting and receiving antennas examined by EM analysis. In this way the influence of mutual couplings on the frequency-dependent near-field and far-field performance of each element is fully accounted for. The set of transmitters is treated as a unique nonlinear system loaded by the multiport antenna, and is analyzed by nonlinear circuit techniques. In order to establish the connection between transmitters and receivers, the far-fields incident onto the receivers are evaluated by EM analysis and are combined by extending an available Ray Tracing technique to the link study. EM theory is used to describe the receiving array as a linear active multiport network. Link performances in terms of bit error rate (BER) are eventually verified a posteriori by a fast system-level algorithm. In order to validate the proposed approach, four heterogeneous application contexts are provided. A complete MIMO link design in a realistic propagation scenario is meant to constitute the reference case study. The second one regards the design, optimization and testing of various typologies of rectennas for power generation by common RF sources. Finally, the project and implementation of two typologies of radio identification tags, at X-band and V-band respectively. In all the cases the importance of an exhaustive nonlinear/electromagnetic co-simulation and co-design is demonstrated to be essential for any accurate system performance prediction.