Il nucleotide extracellulare UTP: induzione della migrazione di cellule staminali emopoietiche CD34+

La letteratura scientifica degli ultimi anni si è arricchita di un numero sempre crescente di studi volti a chiarire i meccanismi che presiedono ai processi di homing di cellule staminali emopoietiche e del loro attecchimento a lungo termine nel midollo osseo. Tali fenomeni sembrano coinvolgere da un lato, l’interazione delle cellule staminali emopoietiche con la complessa architettura e componente cellulare midollare, e dall’altro la riposta ad un’ampia gamma di molecole regolatrici, tra le quali chemochine, citochine, molecole di adesione, enzimi proteolitici e mediatori non peptidici. Fanno parte di quest’ultimo gruppo anche i nucleotidi extracellulari, un gruppo di molecole-segnale recentemente caratterizzate come mediatori di numerose risposte biologiche, tra le quali l’allestimento di fenomeni flogistici e chemiotattici. Nel presente studio è stata investigata la capacità dei nucleotidi extracellulari ATP ed UTP di promuovere, in associazione alla chemochina CXCL12, la migrazione di cellule staminali umane CD34+. E’ così emerso che la stimolazione con UTP è in grado di incrementare significativamente la migrazione dei progenitori emopoietici in risposta al gradiente chemioattrattivo di CXCL12, nonché la loro capacità adesiva. Le analisi citofluorimetriche condotte su cellule migranti sembrano inoltre suggerire che l’UTP agisca interferendo con le dinamiche di internalizzazione del recettore CXCR4, rendendo così le cellule CD34+ maggiormente responsive, e per tempi più lunghi, al gradiente attrattivo del CXCL12. Saggi di homing competitivo in vivo hanno parallelamente mostrato, in topi NOD/SCID, che la stimolazione con UTP aumenta significativamente la capacità dei progenitori emopoeitci umani di localizzarsi a livello midollare. Sono state inoltre indagate alcune possibili vie di trasduzione del segnale attivate dalla stimolazione di recettori P2Y con UTP. Esperimenti di inibizione in presenza della tossina della Pertosse hanno evidenziato il coinvolgimento di proteine Gαi nella migrazione dipendente da CXCL12 ed UTP. Ulteriori indicazioni sono provenute dall’analisi del profilo trascrizionale di cellule staminali CD34+ stimolate con UTP, con CXCL12 o con entrambi i fattori contemporaneamente. Da questa analisi è emerso il ruolo di proteine della famiglia delle Rho GTPasi e di loro effettori a valle (ROCK 1 e ROCK 2) nel promuovere la migrazione UTP-dipendente. Questi dati sono stati confermati successivamente in vitro mediante esperimenti con Tossina B di C. Difficile (un inibitore delle Rho GTPasi) e con Y27632 (in grado di inibire specificatamente le cinasi ROCK). Nel complesso, i dati emersi in questo studio dimostrano la capacità del nucleotide extracellulare UTP di modulare la migrazione in vitro di progenitori emopoietici umani, nonché il loro homing midollare in vivo. L’effetto dell’UTP su questi fenomeni si esplica in concerto con la chemochina CXCL12, attraverso l’attivazione concertata di vie di trasduzione del segnale almeno parzialmente condivise da CXCR4 e recettori P2Y e attraverso il reclutamento comune di proteine ad attività GTPasica, tra le quali le proteine Gαi e i membri della famiglia delle Rho GTPasi.

Validazione e applicazioni cliniche della metodica NIRA (Near Infrared Reflectance Analysis) per la valutazione del contenuto nutrizionale del latte materno in terapia intensiva neonatale

Phase 1: To validate Near-Infrared Reflectance Analysis (NIRA) as a fast, reliable and suitable method for routine evaluation of human milk’s nitrogen and fat content. Phase 2: To determine whether fat content, protein content and osmolality of HM before and after fortification may affect gastroesophageal reflux (GER) in symptomatic preterm infants. Patients and Methods: Phase 1: 124 samples of expressed human milk (55 from preterm mothers and 69 from term mothers) were used to validate NIRA against traditional methods (Gerber method for fat and Kjeldhal method for nitrogen). Phase 2: GER was evaluated in 17 symptomatic preterm newborns fed naïve and fortified HM by combined pH/intraluminal-impedance monitoring (pH-MII). HM fat and protein content was analysed by a Near-Infrared-Reflectance-Analysis (NIRA). HM osmolality was tested before and after fortification. GER indexes measured before and after fortification were compared, and were also related with HM fat and protein content and osmolality before and after fortification. Results: Phase 1: · A strong agreement was found between traditional methods’ and NIRA’s results (expressed as g/100 g of milk), both for fat and nitrogen content in term (mean fat content: NIRA=2.76; Gerber=2.76; mean nitrogen content: NIRA=1.88; Kjeldhal =1.92) and preterm (mean fat content: NIRA=3.56; Kjeldhal=3.52; mean nitrogen content: NIRA=1.91; Kjeldhal =1.89) mother’s milk. · Nitrogen content of the milk samples, measured by NIRA, ranged from 1.18 to 2.71 g/100 g of milk in preterm milk and from 1.48 to 2.47 in term milk; fat content ranged from 1.27 to 6.23 g/100 g of milk in preterm milk and from 1.01 to 6.01 g/100 g of milk in term milk. Phase 2: · An inverse correlation was found between naïve HM protein content and acid reflux index (RIpH: p=0.041, rho=-0.501). · After fortification, osmolality often exceeded the values recommended for infant feeds; furthermore, a statistically significant (p<.05) increase in non acid reflux indexes was observed. Conclusions: NIRA can be used as a fast, reliable and suitable tool for routine monitoring of macronutrient content of human milk. Protein content of naïve HM may influence acid GER in preterm infants. A standard fortification of HM may worsen non acid GER indexes and, due to the extreme variability in HM composition, may overcome both recommended protein intake and HM osmolality. Thus, an individualized fortification, based on the analysis of the composition of naïve HM, could optimize both nutrient intake and feeding tolerance.

In situ real-time investigation of Organic Ultra-Thin-Film transistors: growth, electrical properties and biosensing applications

Organic electronics has grown enormously during the last decades driven by the encouraging results and the potentiality of these materials for allowing innovative applications, such as flexible-large-area displays, low-cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. Moreover, their possible field of applications reaches from medicine, biotechnology, process control and environmental monitoring to defense and security requirements. However, a large number of questions regarding the mechanism of device operation remain unanswered. Along the most significant is the charge carrier transport in organic semiconductors, which is not yet well understood. Other example is the correlation between the morphology and the electrical response. Even if it is recognized that growth mode plays a crucial role into the performance of devices, it has not been exhaustively investigated. The main goal of this thesis was the finding of a correlation between growth modes, electrical properties and morphology in organic thin-film transistors (OTFTs). In order to study the thickness dependence of electrical performance in organic ultra-thin-film transistors, we have designed and developed a home-built experimental setup for performing real-time electrical monitoring and post-growth in situ electrical characterization techniques. We have grown pentacene TFTs under high vacuum conditions, varying systematically the deposition rate at a fixed room temperature. The drain source current IDS and the gate source current IGS were monitored in real-time; while a complete post-growth in situ electrical characterization was carried out. At the end, an ex situ morphological investigation was performed by using the atomic force microscope (AFM). In this work, we present the correlation for pentacene TFTs between growth conditions, Debye length and morphology (through the correlation length parameter). We have demonstrated that there is a layered charge carriers distribution, which is strongly dependent of the growth mode (i.e. rate deposition for a fixed temperature), leading to a variation of the conduction channel from 2 to 7 monolayers (MLs). We conciliate earlier reported results that were apparently contradictory. Our results made evident the necessity of reconsidering the concept of Debye length in a layered low-dimensional device. Additionally, we introduce by the first time a breakthrough technique. This technique makes evident the percolation of the first MLs on pentacene TFTs by monitoring the IGS in real-time, correlating morphological phenomena with the device electrical response. The present thesis is organized in the following five chapters. Chapter 1 makes an introduction to the organic electronics, illustrating the operation principle of TFTs. Chapter 2 presents the organic growth from theoretical and experimental points of view. The second part of this chapter presents the electrical characterization of OTFTs and the typical performance of pentacene devices is shown. In addition, we introduce a correcting technique for the reconstruction of measurements hampered by leakage current. In chapter 3, we describe in details the design and operation of our innovative home-built experimental setup for performing real-time and in situ electrical measurements. Some preliminary results and the breakthrough technique for correlating morphological and electrical changes are presented. Chapter 4 meets the most important results obtained in real-time and in situ conditions, which correlate growth conditions, electrical properties and morphology of pentacene TFTs. In chapter 5 we describe applicative experiments where the electrical performance of pentacene TFTs has been investigated in ambient conditions, in contact to water or aqueous solutions and, finally, in the detection of DNA concentration as label-free sensor, within the biosensing framework.

Organic heterostructure approach for multifunctional light-emitting field-effect transistors

The possibility of combining different functionalities in a single device is of great relevance for further development of organic electronics in integrated components and circuitry. Organic light-emitting transistors (OLETs) have been demonstrated to be able to combine in a single device the electrical switching functionality of a field-effect transistor and the capability of light generation. A novel strategy in OLET realization is the tri-layer vertical hetero-junction. This configuration is similar to the bi-layer except for the presence of a new middle layer between the two transport layers. This “recombination” layer presents high emission quantum efficiency and OLED-like (Organic Light-Emitting Diode) vertical bulk mobility value. The key idea of the vertical tri-layer hetero-junction approach in realizing OLETs is that each layer has to be optimized according to its specific function (charge transport, energy transfer, radiative exciton recombination). Clearly, matching the overall device characteristics with the functional properties of the single materials composing the active region of the OFET, is a great challenge that requires a deep investigation of the morphological, optical and electrical features of the system. As in the case of the bi-layer based OLETs, it is clear that the interfaces between the dielectric and the bottom transport layer and between the recombination and the top transport layer are crucial for guaranteeing good ambipolar field-effect electrical characteristics. Moreover interfaces between the bottom transport and the recombination layer and between the recombination and the top transport layer should provide the favourable conditions for the charge percolation to happen in the recombination layer and form excitons. Organic light emitting transistor based on the tri-layer approach with external quantum efficiency out-performing the OLED state of the art has been recently demonstrated [Capelli et al., Nat. Mater. 9 (2010) 496-503] widening the scientific and technological interest in this field of research.

Nuove biotenologie per la produzione di piante micorrizate con tartufo

Il lavoro svolto durante questa tesi di dottorato pone le basi per lo sviluppo di nuove biotecnologie della micorrizazione di piante forestali con tartufi pregiati ed in particolare con Tuber magnatum. Durante questa tesi è stato possibile isolare e mantenere in coltura pura il micelio di T. magnatum, ad ottenere e descrivere le sue micorrize e quelle di altri tartufi “bianchi” (T. oligospermum, T. borchii) e a seguire l’evoluzione del micelio nel suolo utilizzando la tecnica della real time PCR. Sono stati disegnati primer specie specifici in grado di identificare T. oligospermum ed è stata verificata la possibiltà di utilizzare questi primers in PCR multiplex con quelli specifici di T. magnatum e di T. borchii già presenti in bibliografia, al fine di “scovare” sia frodi nella commercializzaione degli ascomi sia eventuali contaminazioni nelle piante micorrizate. Per migliorare lo sviluppo miceliare di tartufo abbiamo si è cercato di migliorare il mezzo nutritivo per la crescita del micelio utilizzando: fonti di carbonio diverse, estratti radicali di nocciolo e singole frazioni separate dagli stessi. Infine sono stati sviluppati protocolli di crioconservazione per miceli di tartufo. Gli estratti radicali sono in grado di stimolare le crescita miceliare del tartufo modello T. borchii e dimodificarne la morfologia ifale. Questo risultati sono stati confermati anche dall’aumento dell’espressione di geni CDC42 e Rho-GDI, due geni legati alla crescita apicale polarizzata delle ife dei funghi filamentosi. Inoltre è stato dimostrato che il mantenimento in coltura per numerosi anni dei miceli di tartufo provoca una perdita della capacità d’infettare le radici delle piante e quindi il loro potenziale utilizzo sia a scopo sperimentale sia a scopo colturale. Questo pone in risalto l’importanza della conservazione a lungo termine del materiale biologico a disposizione ed è stato dimostrato che la crioconservazione è applicabile con successo anche alle specie del genere Tuber.

Evaluation of Antitumoral activity of bone targeted drugs/conventional chemotherapies and identification of biomarkers for the selection of patients with breast cancer for the bone targeted therapy in adjuvant setting

Bone metastases are responsible for different clinical complications defined as skeletal-related events (SREs) such as pathologic fractures, spinal cord compression, hypercalcaemia, bone marrow infiltration and severe bone pain requiring palliative radiotherapy. The general aim of these three years research period was to improve the management of patients with bone metastases through two different approaches of translational research. Firstly in vitro preclinical tests were conducted on breast cancer cells and on indirect co-colture of cancer cells and osteoclasts to evaluate bone targeted therapy singly and in combination with conventional chemotherapy. The study suggests that zoledronic acid has an antitumor activity in breast cancer cell lines. Its mechanism of action involves the decrease of RAS and RHO, as in osteoclasts. Repeated treatment enhances antitumor activity compared to non-repeated treatment. Furthermore the combination Zoledronic Acid + Cisplatin induced a high antitumoral activity in the two triple-negative lines MDA-MB-231 and BRC-230. The p21, pMAPK and m-TOR pathways were regulated by this combined treatment, particularly at lower Cisplatin doses. A co-colture system to test the activity of bone-targeted molecules on monocytes-breast conditioned by breast cancer cells was also developed. Another important criticism of the treatment of breast cancer patients, is the selection of patients who will benefit of bone targeted therapy in the adjuvant setting. A retrospective case-control study on breast cancer patients to find new predictive markers of bone metastases in the primary tumors was performed. Eight markers were evaluated and TFF1 and CXCR4 were found to discriminate between patients with relapse to bone respect to patients with no evidence of disease. In particular TFF1 was the most accurate marker reaching a sensitivity of 63% and a specificity of 79%. This marker could be a useful tool for clinicians to select patients who could benefit for bone targeted therapy in adjuvant setting.

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.