Acquisizioni e archiviazioni d'immagini microscopiche di broncosfere in radiobiologia

Nonostante l’oggettiva constatazione dei risultati positivi riscontrati a seguito dei trattamenti radioterapici a cui sono sottoposti i pazienti a cui è stato diagnosticato un tumore, al giorno d’oggi i processi biologici responsabili di tali effetti non sono ancora perfettamente compresi. Inseguendo l’obbiettivo di riuscire a definire tali processi è nata la branca delle scienze biomediche denominata radiobiologia, la quale appunto ha lo scopo di studiare gli effetti provocati dalle radiazioni quando esse interagiscono con un sistema biologico. Di particolare interesse risulta essere lo studio degli effetti dei trattamenti radioterapici nei pazienti con tumore del polmone che rappresentano la principale causa di morte dei paesi industrializzati. Purtroppo per via della scarsa reperibilità di materiale, non è stato finora possibile studiare nel dettaglio gli effetti delle cure radioterapiche nel caso di questo specifico tumore. Grazie alle ricerche di alcuni biologi dell’IRST sono stati creati in-vitro sferoidi composti da cellule staminali e tumorali di polmone, chiamate broncosfere, permettendo così di avere ottimi modelli tridimensionali di tessuto umano allo stato solido su cui eseguire esperimenti al fine di regolare i parametri dei trattamenti radioterapici, al fine di massimizzarne l’effetto di cura. In questo lavoro di Tesi sono state acquisite sequenze di immagini relative a broncosfere sottoposte a differenti tipologie di trattamenti radioterapici. Le immagini acquisite forniscono importanti indicazioni densitomorfometriche che correlate a dati clinoco-biologico potrebbero fornire importanti indicazioni per regolare parametri fondamentali dei trattamenti di cura. Risulta però difficile riuscire a confrontare immagini cellulari di pre e post-trattamento, e poter quindi effettuare delle correlazioni fra modalità di irraggiamento delle cellule e relative caratteristiche morfometriche, in particolare se le immagini non vengono acquisite con medesimi parametri e condizioni di cattura. Inoltre, le dimensioni degli sferoidi cellulari da acquisire risultano essere tipicamente maggiori del parametro depth of focus del sistema e questo implica che non è possibile acquisire una singola immagine completamente a fuoco di essi. Per ovviare a queste problematiche sono state acquisite sequenze di immagini relative allo stesso oggetto ma a diversi piani focali e sono state ricostruite le immagini completamente a fuoco utilizzando algoritmi per l’estensione della profondità di campo. Sono stati quindi formulati due protocolli operativi per fissare i procedimenti legati all’acquisizione di immagini di sferoidi cellulari e renderli ripetibili da più operatori. Il primo prende in esame le metodiche seguite per l’acquisizione di immagini microscopiche di broncosfere per permettere di comparare le immagini ottenute in diverse acquisizioni, con particolare attenzione agli aspetti critici di tale operazione. Il secondo è relativo alla metodica seguita nella archiviazione di tali immagini, seguendo una logica di classificazione basata sul numero di trattamenti subiti dal singolo sferoide. In questo lavoro di Tesi sono stati acquisiti e opportunamente archiviati complessivamente circa 6500 immagini di broncosfere riguardanti un totale di 85 sferoidi. I protocolli elaborati permetteranno di espandere il database contenente le immagini di broncosfere con futuri esperimenti, in modo da disporre di informazioni relative anche ai cambiamenti morfologici subiti dagli sferoidi in seguito a varie tipologie di radiotrattamenti e poter quindi studiare come parametri di frazionamento di dose influenzano la cura. Infine, grazie alle tecniche di elaborazioni delle immagini che stiamo sviluppando sarà inoltre possibile disporre di una ricostruzione della superficie degli sferoidi in tempo reale durante l’acquisizione.

Bronzi e bronzi dorati esposti all’azione della pioggia: corrosione ed inibizione

Il presente lavoro di tesi è stato organizzato in tre parti principali: in prima analisi, è stato effettuato uno studio preliminare di patine reali prelevate da bronzi esposti all’aperto, al fine di verificare l’ipotesi che diverse geometrie di esposizione generano patine differenti nella morfologia e nella composizione sulla superficie della lega. In particolare, è stata posta l’attenzione sullo Sn, il quale esibisce un differente comportamento in aree esposte o riparate dalla pioggia battente. Successivamente quindi, mediante una prova di invecchiamento accelerato che riproduce l’azione della pioggia battente (dropping test) è stata quindi studiata l’efficienza dell’inibitore PropS-SH (3-mercapto-propil-trimetossi-silano), il quale si è dimostrato un possibile sostituto del BTA nell’inibizione della corrosione dei bronzi e tra i primi candidati nello studio dell’inibizione della corrosione nei bronzi dorati. Lo studio è stato effettuato impiegando il dropping test sia per la pre-patinazione (in modo da produrre un substrato rappresentativo di quello su cui si applica l’inibitore) che per l’esposizione vera e propria. I risultati ottenuti sono stati poi confrontati con quelli ottenuti in un lavoro precedente, in cui è stata studiata l’efficienza dello stesso inibitore in condizioni che simulano invece l’azione della pioggia stagnante. Infine, sono stati condotti studi preliminari sulla corrosione di campioni di bronzo dorato mediante invecchiamento accelerato in condizioni che simulano sia la pioggia battente che quella stagnante (wet&dry test).

Analisi di dati citofluorimetrici con tecniche di Data Mining

Il citofluorimetro è uno strumento impiegato in biologia genetica per analizzare dei campioni cellulari: esso, analizza individualmente le cellule contenute in un campione ed estrae, per ciascuna cellula, una serie di proprietà fisiche, feature, che la descrivono. L’obiettivo di questo lavoro è mettere a punto una metodologia integrata che utilizzi tali informazioni modellando, automatizzando ed estendendo alcune procedure che vengono eseguite oggi manualmente dagli esperti del dominio nell’analisi di alcuni parametri dell’eiaculato. Questo richiede lo sviluppo di tecniche biochimiche per la marcatura delle cellule e tecniche informatiche per analizzare il dato. Il primo passo prevede la realizzazione di un classificatore che, sulla base delle feature delle cellule, classifichi e quindi consenta di isolare le cellule di interesse per un particolare esame. Il secondo prevede l'analisi delle cellule di interesse, estraendo delle feature aggregate che possono essere indicatrici di certe patologie. Il requisito è la generazione di un report esplicativo che illustri, nella maniera più opportuna, le conclusioni raggiunte e che possa fungere da sistema di supporto alle decisioni del medico/biologo.

Contaminanti emergenti nei suoli: il lombrico Eisenia andrei come modello sperimentale per la valutazione degli effetti biologici del bisfenolo A

Il BPA è un composto aromatico precursore di materiali plastici e additivi chimici, ed è entrato a far parte della categoria dei contaminanti che alterano il sistema endocrino con molteplici effetti negativi sulla salute umana (azione di mimesi estrogenica, alterazioni della funzione tiroidea e dei sistemi riproduttivo, nervoso ed immunitario). Nella fase produttiva industriale si hanno emissioni accidentali di BPA durante il trattamento e la lavorazione dei monomeri plastici. Piccole frazioni di BPA possono essere ingerite dall’uomo poiché la sostanza migra nel tempo dal contenitore alimentare al contenuto (es. bevanda in lattina o contenitore per microonde) soprattutto se esposto ad alte temperature. Anche il contatto con composti acidi o basici, la presenza di elevati livelli di cloruro di sodio o di oli vegetali, è in grado di provocare un incremento del rilascio di BPA dai materiali polimerici. Il BPA viene rilasciato dai biberon in policarbonato, che in molti Paesi sono stati ritirati dal commercio nel 2011, e da bottiglie di acqua riutilizzabili. Infine, la carta termica degli scontrini e delle fotocopie rilasciano BPA. Nell’adulto la tossicità del BPA sembra modesta, tuttavia l'esposizione nel feto e nel neonato può risultare deleteria. Al di là della tossicità, l'aspetto che al momento preoccupa maggiormente è l'effetto che il BPA ha anche a basse dosi sul metabolismo: diversi studi in tutto il mondo correlano questa sostanza all'incidenza di diabete, ipertensione, obesità e problemi cardiaci. L’attenzione per il BPA è piuttosto recente a livello umano, mentre è assai ridotta per la salute dell’ecosistema. Tuttavia è noto che il BPA è presente anche come contaminante dei suoli, e pur essendo stato documentato il suo bioaccumulo negli organismi vegetali, non sono disponibili informazioni precedenti relativi agli effetti del BPA sugli organismi animali del suolo, in linea con il fatto che il suolo è stato una matrice ambientale molto trascurata. Il presente lavoro di tesi quindi si pone come uno studio pilota per valutare la possibile tossicità del BPA su organismi modello che vivono in questa matrice. In questo studio è stato scelto come bioindicatore “sentinella” il lombrico Eisenia andrei, il comune verme rosso, come suggeriscono le linee guida internazionali (OECD, OCSE). I possibili effetti biologici del Bisfenolo A nei lombrichi sono stati indagati sia attraverso endpoint del ciclo vitale (accrescimento, riproduzione e mortalità), sia attraverso una batteria di biomarker (generali e specifici). Data la mancanza di osservazioni precedenti si è scelto un approccio integrato tra i parametri del ciclo vitale, in genere meno sensibili ma ecologicamente più rilevanti, e i biomarker, risposte più sensibili che possono rappresentare segnali precoci di allarme inerenti l’esposizione a contaminanti ambientali o l’effetto di questi ultimi sugli organismi indagati, ma non necessariamente predittivi sulla salute della comunità. Al momento non esistono batterie di biomarker specifiche per questa sostanza, quindi un ulteriore scopo della ricerca è stato quello di evidenziare biomarker utili ad indagare eventuali alterazioni biochimiche e funzionali nei lombrichi in risposta all’esposizione a dosi crescenti di bisfenolo A. Le risposte biologiche indagate sono: - la diminuzione della stabilità delle membrane lisosomiali, che indica una riduzione dello stato di salute generale degli organismi; - l’alterazione dell’attività degli enzimi catalasi e glutatione-S-trasferasi, indice di stress ossidativo o induzione di meccanismi di detossificazione; - la diminuzione dell’attività dell’enzima acetilcolinesterasi, la quale indica neurotossicità; - l’accumulo di lipofuscine o lipidi neutri, che è sintomo rispettivamente di stress ossidativo o alterazioni del metabolismo; - la variazione della malondialdeide, composto intermedio della perossidazione lipidica, indica un stress ossidativo in corso. Sulla base dei dati ottenuti possiamo dire che il BPA, alle concentrazioni ambientali, non costituisce un elemento di rischio ecologico per gli organismi sentinella Eisenia andrei. Alle concentrazioni più elevate (che superano quelle ambientali di almeno 10 volte) si osservano delle alterazioni sui livelli di lipidi neutri e lipofuscine che pur non essendo preoccupanti dal punto di vista ecologico sono indice di vulnerabilità, dato che si tratta di alterazioni del metabolismo in conseguenza delle quali gli animali accumulano residui normalmente degradati a livello lisosomiale. Questo accumulo nei lisosomi delle cellule del tessuto cloragogeno dei vermi, che rivestono il tubo digerente, sembrano indicare una esposizione attraverso la dieta a seguito della ingestione del terreno. E’interessante il fatto che l’accumulo di lipidi è in linea con le caratteristiche obesogene del BPA, ben manifestate nei mammiferi, uomo compreso. Tuttavia non ci sono ancora conoscenze sufficienti per stabilire se questo accumulo nei vermi sia dovuto ad una specifica alterazione degli enzimi di sintesi dei lipidi oppure più genericamente ad un aumento dello stress ossidativo. Molti studi stanno valutando la capacità del BPA di alterare la sintesi e il rilascio di lipidi in cellule umane e di ratto, ma non ci sono ancora studi di questo tipo per gli organismi edafici. E’ auspicabile che questo aspetto venga approfondito, ed eventualmente venga identificato un nuovo biomarker specifico dell’azione del BPA sull’accumulo di lipidi. Un altro aspetto che sarà interessante approfondire è il bioaccumulo: la valutazione del rischio ecotossicologico di una sostanza si basa anche sul potenziale di BCF che può essere pericoloso per il biota (incluso l’uomo) per trasferimento nella catena trofica. Considerando che non esistono ancora studi specifici del bioaccumulo del BPA in organismi del suolo, ed avendo messo in luce che l’assunzione della sostanza è avvenuta (probabilmente per via alimentare) ci si pone l’obiettivo futuro di valutare questo parametro nei lombrichi, in modo da avere un quadro più ampio degli effetti associati a questo interferente endocrino nei suoli.

Studio di classi di sferoidi multicellulari di carcinoma polmonare epidermoidale in radiobiologia

Il tumore del polmone rappresenta la prima causa di morte nei paesi industrializzati. Le possibilità di trapianto ed intervento chirurgico risultano molto limitate pertanto lo standard di cura risulta essere la radioterapia, a volte abbinata alla chemioterapia. Sebbene trattando radioterapicamente il tumore si ottengano ottimi risultati, attualmente non esistono solide linee guida per la personalizzazione del trattamento al paziente. Il poter eseguire in laboratorio test radioterapici su un elevato numero di campioni risulterebbe un valido approccio sperimentale d’indagine, ma la carenza di materiale su cui poter condurre gli esperimenti limita questa possibilità. Tipicamente, per ovviare al problema vengono utilizzati sferoidi multicellulari tridimensionali creati in laboratorio partendo da singole cellule del tumore in esame. In particolare, l’efficacia del trattamento viene tipicamente correlata alla riduzione volumetrica media stimata utilizzando un set di sferoidi teoricamente identici. In questo studio vengono messe in discussione la validità delle affermazioni tipicamente sostenute attraverso l’analisi di volumi medi. Abbiamo utilizzando un set di circa 100 sferoidi creati in laboratorio partendo da singole cellule di carcinoma epidermoidale polmonare e trattati secondo sette differenti modalità di trattamento radioterapico (variando intensità di radiazione e numero di frazioni). In una prima fase abbiamo analizzato le singole immagini, acquisite al microscopio ottico circa ogni 48 ore, per identificare features morfometriche significative da affiancare all’analisi volumetrica. Sulla base dell’andamento temporale di queste features abbiamo suddiviso gli sferoidi in sottoclassi con evoluzioni completamente differenti che fanno supporre un differente “stato” biologico. Attraverso algoritmi di estrazione di features e classificazione e analizzando riduzione volumetrica, grado di frastagliatura del bordo e quantità di cellule liberate nel terreno di coltura abbiamo definito un protocollo per identificare in maniera automatica le sottopopolazioni di sferoidi. Infine, abbiamo ricercato con successo alcune features morfometriche in grado di predire, semplicemente analizzando immagini acquisite nei giorni seguenti all’ultimo trattamento, lo “stato di salute” del tumore a medio/lungo periodo. Gli algoritmi realizzati e le features identificate se opportunamente validate potrebbero risultare un importante strumento non invasivo di ausilio per il radioterapista per valutare nel breve periodo gli effetti a lungo periodo del trattamento e quindi poter modificare parametri di cura al fine di raggiungere uno stato desiderato del tumore.

Systematic investigation of automated plan generation for breast cancer including beam angle and isocenter selection

Il tumore al seno è il più comune tra le donne nel mondo. La radioterapia è comunemente usata dopo la chirurgia per distruggere eventuali cellule maligne rimaste nel volume del seno. Nei trattamenti di radioterapia bisogna cercare di irradiare il volume da curare limitando contemporaneamente la tossicità nei tessuti sani. In clinica i parametri che definiscono il piano di trattamento radioterapeutico sono selezionati manualmente utilizzando un software di simulazione per trattamenti. Questo processo, detto di trial and error, in cui i differenti parametri vengono modificati e il trattamento viene simulato nuovamente e valutato, può richiedere molte iterazioni rendendolo dispendioso in termini di tempo. Lo studio presentato in questa tesi si concentra sulla generazione automatica di piani di trattamento per irradiare l'intero volume del seno utilizzando due fasci approssimativamente opposti e tangenti al paziente. In particolare ci siamo concentrati sulla selezione delle direzioni dei fasci e la posizione dell'isocentro. A questo scopo, è stato investigata l'efficacia di un approccio combinatorio, nel quale sono stati generati un elevato numero di possibili piani di trattamento utilizzando differenti combinazioni delle direzioni dei due fasci. L'intensità del profilo dei fasci viene ottimizzata automaticamente da un algoritmo, chiamato iCycle, sviluppato nel ospedale Erasmus MC di Rotterdam. Inizialmente tra tutti i possibili piani di trattamento generati solo un sottogruppo viene selezionato, avente buone caratteristiche per quel che riguarda l'irraggiamento del volume del seno malato. Dopo di che i piani che mostrano caratteristiche ottimali per la salvaguardia degli organi a rischio (cuore, polmoni e seno controlaterale) vengono considerati. Questi piani di trattamento sono matematicamente equivalenti quindi per selezionare tra questi il piano migliore è stata utilizzata una somma pesata dove i pesi sono stati regolati per ottenere in media piani che abbiano caratteristiche simili ai piani di trattamento approvati in clinica. Questo metodo in confronto al processo manuale oltre a ridurre considerevol-mente il tempo di generazione di un piano di trattamento garantisce anche i piani selezionati abbiano caratteristiche ottimali nel preservare gli organi a rischio. Inizialmente è stato utilizzato l'isocentro scelto in clinica dal tecnico. Nella parte finale dello studio l'importanza dell'isocentro è stata valutata; ne è risultato che almeno per un sottogruppo di pazienti la posizione dell'isocentro può dare un importante contributo alla qualità del piano di trattamento e quindi potrebbe essere un ulteriore parametro da ottimizzare. 

Outdoor bronze conservation: assessment of protective treatments by accelerated aging and of treatment removal procedures by laser cleaning

Outdoor bronzes exposed to the environment form naturally a layer called patina, which may be able to protect the metallic substrate. However, since the last century, with the appearance of acid rains, a strong change in the nature and properties of the copper based patinas occurred [1]. Studies and general observations have established that bronze corrosion patinas created by acid rain are not only disfiguring in terms of loss of detail and homogeneity, but are also unstable [2]. The unstable patina is partially leached away by rainwater. This leaching is represented by green streaking on bronze monuments [3]. Because of the instability of the patina, conservation techniques are usually required. On a bronze object exposed to the outdoor environment, there are different actions of the rainfall and other atmospheric agents as a function of the monument shape. In fact, we recognize sheltered and unsheltered areas as regards exposure to rainwater [4]. As a consequence of these different actions, two main patina types are formed on monuments exposed to the outdoor environment. These patinas have different electrochemical, morphological and compositional characteristics [1]. In the case of sheltered areas, the patina contains mainly copper products, stratified above a layer strongly enriched in insoluble Sn oxides, located at the interface with the uncorroded metal. Moreover, different colors of the patina result from the exposure geometry. The surface color may be pale green for unsheltered areas, and green and mat black for sheltered areas [4]. Thus, in real outdoor bronze monuments, the corrosion behavior is strongly influenced by the exposure geometry. This must be taken into account when designing conservation procedures, since the patina is in most cases the support on which corrosion inhibitors are applied. Presently, for protecting outdoor bronzes against atmospheric corrosion, inhibitors and protective treatments are used. BTA and its derivatives, which are the most common inhibitors used for copper and its alloy, were found to be toxic for the environment and human health [5, 6]. Moreover, it has been demonstrated that BTA is efficient when applied on bare copper but not as efficient when applied on bare bronze [7]. Thus it was necessary to find alternative compounds. Silane-based inhibitors (already successfully tested on copper and other metallic substrates [8]), were taken into consideration as a non-toxic, environmentally friendly alternative to BTA derivatives for bronze protection. The purpose of this thesis was based on the assessment of the efficiency of a selected compound, to protect the bronze against corrosion, which is the 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH). It was selected thanks to the collaboration with the Corrosion Studies Centre “Aldo Daccò” at the Università di Ferrara. Since previous studies [9, 10, 11] demonstrated that the addition of nanoparticles to silane-based inhibitors leads to an increase of the protective efficiency, we also wanted to evaluate the influence of the addition of CeO2, La2O3, TiO2 nanoparticles on the protective efficiency of 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane, applied on pre-patinated bronze surfaces. This study is the first section of the thesis. Since restorers have to work on patinated bronzes and not on bare metal (except for contemporary art), it is important to be able to recreate the patina, under laboratory conditions, either in sheltered or unsheltered conditions to test the coating and to obtain reliable results. Therefore, at the University of Bologna, different devices have been designed to simulate the real outdoor conditions and to create a patina which is representative of real application conditions of inhibitor or protective treatments. In particular, accelerated ageing devices by wet & dry (simulating the action of stagnant rain in sheltered areas [12]) and by dropping (simulating the leaching action of the rain in unsheltered areas [1]) tests were used. In the present work, we used the dropping test as a method to produce pre-patinated bronze surfaces for the application of a candidate inhibitor as well as for evaluating its protective efficiency on aged bronze (unsheltered areas). In this thesis, gilded bronzes were also studied. When they are exposed to the outside environment, a corrosion phenomenon appears which is due to the electrochemical couple gold/copper where copper is the anode. In the presence of an electrolyte, this phenomenon results in the formation of corrosion products than will cause a blistering of the gold (or a break-up and loss of the film in some cases). Moreover, because of the diffusion of the copper salts to the surface, aggregates and a greenish film will be formed on the surface of the sample [13]. By coating gilded samples with PropS-SH and PropS-SH containing nano-particles and carrying out accelerated ageing by the dropping test, a discussion is possible on the effectiveness of this coating, either with nano-particles or not, against the corrosion process. This part is the section 2 of this thesis. Finally, a discussion about laser treatment aiming at the assessment of reversibility/re-applicability of the PropS-SH coating can be found in section 3 of this thesis. Because the protective layer loses its efficiency with time, it is necessary to find a way of removing the silane layer, before applying a new one on the “bare” patina. One request is to minimize the damages that a laser treatment would create on the patina. Therefore, different laser fluences (energy/surface) were applied on the sample surface during the treatment process in order to find the best range of fluence. In particular, we made a characterization of surfaces before and after removal of PropS-SH (applied on a naturally patinated surface, and subsequently aged by natural exposure) with laser methods. The laser removal treatment was done by the CNR Institute of Applied Physics “Nello Carrara” of Sesto Fiorentino in Florence. In all the three sections of the thesis, a range of non-destructive spectroscopic methods (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), μ-Raman spectroscopy, X-Ray diffractometry (XRD)) were used for characterizing the corroded surfaces. AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) was used to analyze the ageing solutions from the dropping test in sections 1 and 2.

Complessi dinucleari di ferro con leganti a ponte per la produzione elettrocatalitica di idrogeno

Il forte incremento della popolazione mondiale, la continua crescita del tenore di vita e del livello di consumi hanno portato negli ultimi decenni ad un enorme aumento della richiesta mondiale di energia. Diviene pertanto fondamentale ricercare nuovi metodi altamente efficienti di produzione, trasporto ed utilizzo di energia, che migliorino la qualità della vita dell’uomo e nello stesso tempo salvaguardino il clima e l’ambiente. Proprio a questo proposito, in questi ultimi anni, vi è un crescente interesse nei riguardi della molecola di idrogeno, H2. Ad oggi è impossibile sostituire i combustibili fossili con l’idrogeno, per motivi prettamente tecnologici (difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto) e per motivi legati alla sua produzione. Infatti, l’idrogeno è sì uno degli elementi più presenti in natura, ma non come sostanza gassosa pura bensì in forma combinata, generalmente acqua, quindi per produrlo è necessario rompere il legame con l’elemento con cui è combinato, consumando energia; questo spiega il motivo per cui l’idrogeno viene considerato un vettore di energia e non una fonte di energia. La produzione di idrogeno, o meglio del suo equivalente costituito da un flusso di elettroni e protoni, dall’acqua è un processo che avviene in natura, precisamente nelle cellule vegetali durante la prima fase della fotosintesi clorofilliana. Tale processo mostra l’importanza dei complessi bio-inorganici che vi partecipano, ai quali si ispira la ricerca di nuovi efficienti catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante scissione catalitica dell’acqua (water splitting). Una classe di enzimi particolarmente studiata, in quest’ambito, è costituita dalle idrogenasi; la maggior parte di questi enzimi contengono un frame dinucleare Ni-Fe o Fe-Fe. Numerosi gruppi di ricerca sono fortemente impegnati nell’obiettivo di sintetizzare complessi simili a questi enzimi (enzyme mimics), e con prestazioni paragonabili, in modo da produrre idrogeno in modo efficiente e rispettando i principi di sostenibilità ambientale ed economica. Il gruppo di ricerca presso il quale è stato svolto il tirocinio oggetto del presente elaborato si occupa dello studio di complessi metallorganici caratterizzati dalla presenza di un “core” metallico costituito da due atomi di Ferro adiacenti coordinati tra loro mediante leganti a ponte diversamente funzionalizzati. Obiettivo del tirocinio è stato quello di verificare l’efficienza catalitica di alcuni di questi complessi nel promuovere il processo di interconversione H+/H2; per fare ciò, si è fatto ricorso ad un approccio elettrochimico, sfruttando la tecnica della voltammetria ciclica.

La fibroina della seta come biomateriale per la medicina neurorigenerativa

Una delle grandi sfide della medicina moderna e dell’ingegneria biomedica è rappresentata dalla rigenerazione e il recupero dei tessuti nervosi. I danni al Sistema Nervoso Centrale (SNC) e Periferico (SNP) provocano effetti irreversibili e influiscono sulla qualità della vita dei pazienti. L’ingegneria tissutale è stata definita come “un campo interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e delle scienze della vita per lo sviluppo di sostituti biologici che ripristinino, mantengano, o migliorino la funzione di un tessuto o di un intero organo” (Langer R et al, 1993). Lo sviluppo dei biomateriali, i progressi scientifici nel campo delle cellule staminali e dei fattori di crescita, nonché le migliorie nelle tecniche di differenziazione e del rilascio dei farmaci offrono nuove opportunità di sviluppo terapeutico. Sono stati infatti creati tessuti in laboratorio attraverso la combinazione di matrici extracellulari ingegnerizzate, comunemente definite scaffold, cellule e molecole biologicamente attive. Tali “impalcature”, forniscono un supporto fisico e biochimico alla crescita delle cellule nervose. In quest’ottica si configura come essenziale il contributo della seta e di una sua particolare molecola: la fibroina. Quest’ultima grazie alle specifiche caratteristiche di biocompatibilità, lenta degradabilità e alle notevoli proprietà meccaniche, è stata ampiamente studiata, in anni recenti, per nuove applicazioni in ambito biomedico, come nel caso dell’ingegneria dei tessuti e del rilascio di farmaci. La fibroina della seta utilizzabile in vari formati quali film, fibre, reti, maglie, membrane, gel e spugne supporta l'adesione, la proliferazione e la differenziazione in vitro di diversi tipi di cellule. In particolare studi recenti indicano che la seta ha una buona compatibilità per la crescita di cellule neuronali dell'ippocampo. In questo elaborato saranno presentate le caratteristiche della fibroina della seta come biomateriale, con particolare riferimento all’ingegnerizzazione e al processo di fabbricazione degli scaffold finalizzati al supporto della rigenerazione cellulare – neuronale in caso di insulti traumatici, acuti e/o cronici del Sistema Nervoso.

Studio e applicazione di tecniche di riduzione di dimensionalita a modelli geometrici di percezione visiva

La tesi affronta il tema della neuromatematica della visione, in particolare l’integrazione di modelli geometrici di percezione visiva con tecniche di riduzione di dimensionalità. Dall’inizio del secolo scorso, la corrente ideologica della Gestalt iniziò a definire delle regole secondo le quali stimoli visivi distinti tra loro possono essere percepiti come un’unica unità percettiva, come ad esempio i principi di prossimità, somiglianza o buona continuazione. Nel tentativo di quantificare ciò che gli psicologi avevano definito in maniera qualitativa, Field, Hayes e Hess hanno descritto, attraverso esperimenti psicofisiologici, dei campi di associazione per stimoli orientati, che definiscono quali caratteristiche due segmenti dovrebbero avere per poter essere associati allo stesso gruppo percettivo. Grazie alle moderne tecniche di neuroimaging che consentono una mappatura funzionale dettagliata della corteccia visiva, è possibile giustificare su basi neurofisiologiche questi fenomeni percettivi. Ad esempio è stato osservato come neuroni sensibili ad una determinata orientazione siano preferenzialmente connessi con neuroni aventi selettività in posizione e orientazione coerenti con le regole di prossimità e buona continuazione. Partendo dal modello di campi di associazione nello spazio R^2xS^1 introdotto da Citti e Sarti, che introduce una giustificazione del completamento percettivo sulla base della funzionalità della corteccia visiva primaria (V1), è stato possibile modellare la connettività cellulare risolvendo un sistema di equazioni differenziali stocastiche. In questo modo si sono ottenute delle densità di probabilità che sono state interpretate come probabilità di connessione tra cellule semplici in V1. A queste densità di probabilità è possibile collegare direttamente il concetto di affinità tra stimoli visivi, e proprio sulla costruzione di determinate matrici di affinità si sono basati diversi metodi di riduzione di dimensionalità. La fenomenologia del grouping visivo descritta poco sopra è, di fatto, il risultato di un procedimento di riduzione di dimensionalità. I risultati ottenuti da questa analisi e gli esempi applicativi sviluppati si sono rivelati utili per comprendere più nel dettaglio la possibilità di poter riprodurre, attraverso l’analisi spettrale di matrici di affinità calcolate utilizzando i modelli geometrici di Citti-Sarti, il fenomeno percettivo di grouping nello spazio R^2xS^1.

Skin tissue engineering: medical problems and technological solutions.

In questo elaborato si affrontano problematiche cliniche legate ai traumi gravi della cute in cui è necessario intervenire chirurgicamente per ripristinare una situazione normale: si approfondisce lo studio della fisiologia del tessuto, la classificazione dei gradi delle ustioni della pelle, la guarigione delle ferite e la meccanica della cute. Il trapianto di tessuto autologo costituisce la soluzione più efficace e con minori complicazioni. Tuttavia il paziente potrebbe non presentare una superficie di cute disponibile sufficientemente estesa, per cui si ricorre ad altri metodi. In primo luogo, si effettuano degli allotrapianti di tessuto di donatore cadavere prelevati secondo le normative vigenti e conservati attraverso le varie tecniche, il cui sviluppo ha consentito una durata di conservazione maggiore; mentre la glicerolizzazione abbatte al 100% il rischio di trasmissione di patologie e lo sviluppo di microorganismi, la crioconservazione preserva la vitalità del tessuto. La chirurgia utilizzata per queste operazioni si avvale di tecnologie innovative come la Tecnologia a Pressione Negativa. Un'alternativa necessaria per sopperire all'ingente richiesta di tessuto di donatore sono i sostituti cutanei, che presentano un grande potenziale per il futuro. Per eliminare totalmente il rischio di rigetto sarebbe necessario personalizzare il costrutto utilizzando cellule autologhe, ma la ricerca è stata rallentata da minori investimenti da parte dell'industria biomedica, che si è maggiormente focalizzata sulla realizzazione di prodotti utilizzabili da un più ampio raggio di pazienti. Per queste ragioni, l'ingegneria tissutale della cute ha trovato più ampio campo di applicazione nel sistema dei test in vitro. A tale scopo sono stati creati dei protocolli certificati per testare la corrosività, la irritabilità e la vitalità del tessuto cutaneo, quali EpiDerm, EpiSkin e SkinEthic che si avvalgono dell'uso del metodo MMT e della spettrofotometria, che è diventata un supporto fondamentale per le scienze biologiche.

Effetto di una auxina sulla crescita e composizione della microalga verde Desmodesmus communis

La coltivazione massiva di microalghe ha lo scopo di produrre biomassa su larga scala per ottenere prodotti e processi utili, grazie al loro elevato contenuto di carboidrati, proteine, lipidi, pigmenti e altri composti, che sono utilizzati a livello industriale in campo alimentare, medico e nutraceutico. L’elevata potenzialità di utilizzo di questa biomassa ha assunto un ruolo primario nell’ambito della produzione di energia ecocompatibile o di processi utili per l’ambiente. Dalle microalghe è possibile estrarre lipidi da utilizzare come biocarburanti e possono trovare applicazione anche nel trattamento di reflui domestici ed industriali, nella produzione di composti bioattivi atti alla produzione di biopolimeri, fertilizzanti e ammendanti. Le problematiche inerenti ad una produzione industriale, riguardano la riduzione dell’impatto energetico, ambientale ed i costi di produzione con l’obbiettivo di massimizzare la resa della coltura; questo potrebbe essere realizzato attraverso l’utilizzo di sostanze di crescita che diversi studi mostrano come siano presenti naturalmente nelle microalghe. Il lavoro di questa tesi si è incentrato sulla valutazione degli effetti di ormoni vegetali sulla crescita e la composizione molecolare della microalga verde Desmodesmus communis, organismo noto nell’ambito del trattamento delle acque reflue e specie alternativa nella produzione di energia rinnovabile grazie alle sue caratteristiche fisiologiche. La crescita è stata monitorata attraverso conteggio cellulare, consumo di nutrienti, misurazione del peso secco e dell’efficienza fotosintetica; la composizione molecolare è stata quantificata analizzando il contenuto di polisaccaridi, proteine e lipidi delle cellule. Dapprima è stato eseguito uno screening preliminare di cinque fitormoni a concentrazioni diverse, allo scopo di selezionare lo stimolante biochimico con maggior effetto. Selezionato l’ormone, si è poi proceduto ad allestire colture batch, in cui il composto, l’auxina acido fenilacetico, è stato aggiunto alla concentrazione prescelta e successivamente, avvalendosi dell’utilizzo di due fotobioreattori colonnari, è stato valutato l’effetto dell’ormone selezionato in un sistema di coltura semicontinuo, ipotizzando una coltivazione industriale su larga scala.

Caratteristiche anatomiche del corpo genicolato mediale nel tursiope (Tursiops truncatus).

La conoscenza del sistema nervoso centrale dei Cetacei si limita alla morfologia esterna, mentre la storia evolutiva, invece, è ben documentata. Il sistema nervoso centrale, che funziona da interfaccia tra il corpo dell’animale e l’ambiente circostante, integra le informazioni afferenti in una reazione adatta alla sopravvivenza dell’individuo. L’aumento o la diminuzione delle aree cerebrali dipende dall’implicazione funzionale che esse hanno per l’organismo e, nel tursiope, quelle particolarmente sviluppate sono connesse alla trasmissione ed elaborazione delle informazioni acustiche comprendendo le cortecce acustiche, il pulvinar, il nucleo genicolato mediale, il collicolo caudale ed alcuni nuclei pontini. Esse sono basilari per la sopravvivenza nell’ ambiente acquatico. Questo studio si è occupato di delineare le caratteristiche citoarchitettoniche (con riferimento alla morfologia ed alle dimensioni dei neuroni) e l'espressione della calbindina-D28k del corpo genicolato mediale, importante centro di integrazione delle informazioni acustiche. Le sue caratteristiche morfofunzionali sono state studiate soprattutto nei Roditori, nei Carnivori e nei Primati, ed è emersa la presenza di tre aree citoarchitettoniche: nucleo dorsale (MGd), nucleo ventrale (MGv) e nucleo mediale (MGm). Nel tursiope, in base alla densità di distribuzione dei neuroni, si possono evidenziare, invece, due nuclei principali: il ventro-laterale ed il dorso-mediale. Nel primo nucleo i neuroni presenti appaiono più densamente stipati che nel secondo. Nel corpo genicolato mediale di tursiope, come nei Chirotteri, le cellule calbindina-D28k-immunoreattive sono distribuite in maniera diffusa ed uniforme. Tali cellule ricevono informazioni modulatorie afferenti soprattutto dalla corteccia cerebrale; di conseguenza è possibile ipotizzare come le infomazioni modulatorie che dalla neocorteccia si portano al corpo genicolato mediale non terminino in aree specifiche, come accade in molti Mammiferi terrestri, ma si distribuiscano in maniera diffusa a tutto il corpo. Tale caratteristica anatomica potrebbe indicare la presenza di un maggior controllo modulatorio, eventualmente correlato al fenomeno dell’ecolocazione, operato dalla corteccia cerebrale sul corpo genicolato mediale.

Ciclo riproduttivo annuale del corallo solitario Caryophyllia inornata (Scleractinia, Caryophylliidae) caratterizzato da un inusuale modello di embriogenesi

La varietà dei processi riproduttivi dei coralli riflette la loro straordinaria abilità rigenerativa. Le scleractinie sono un noto esempio di animali clonali, che possono esibire una strategia mista di riproduzione sessuale e asessuale per mantenere la loro popolazione. Questo studio descrive per la prima volta il ciclo riproduttivo annuale e l’embriogenesi del corallo temperato Caryophyllia inornata. I campioni sono stati raccolti mediante immersioni subacquee dal relitto di un aereo, a largo delle coste dell’Isola d’Elba. Sono state eseguite analisi citometriche per definire lo sviluppo annuale delle cellule germinali e l’embriogenesi. Caryophyllia inornata è risultata gonocorica con una sex ratio di 1:3.3 a favore dei maschi. I polipi erano sessualmente maturi a 7 mm di lunghezza. Lo sviluppo degli embrioni è stato osservato in maschi, femmine ed individui sessualmente inattivi. Gli spermiari richiedevano circa 10 mesi di maturazione, mentre l’ovogenesi sembrava essere più rapida. I polipi femmina sono stati trovati solo da Febbraio a Luglio. Il tasso di sviluppo gonadico aumentava sensibilmente da Marzo a Maggio e la fecondazione avveniva tra Maggio e Luglio, quando le cellule germinali all’interno dei polipi iniziavano a scomparire. La gametogenesi ha mostrato una forte influenza stagionale mentre gli embrioni sono stati trovati durante tutto l’anno nei maschi e negli individui sessualmente inattivi, non presentando un andamento ben definito. Questo modello di embriogenesi è poco comune ed è stato osservato solo in quattro scleractinie tropicali (Pocillopora damicornis, Tubastrea Diaphana, T. coccinea e Oulastrea crispata) in cui avviene una produzione interna di embrioni per via agamica. La natura precisa di questo processo è ancora sconosciuta.

Segmentazione di immagini mammografiche con convolutional neural networks

Il tumore al seno si colloca al primo posto per livello di mortalità tra le patologie tumorali che colpiscono la popolazione femminile mondiale. Diversi studi clinici hanno dimostrato come la diagnosi da parte del radiologo possa essere aiutata e migliorata dai sistemi di Computer Aided Detection (CAD). A causa della grande variabilità di forma e dimensioni delle masse tumorali e della somiglianza di queste con i tessuti che le ospitano, la loro ricerca automatizzata è un problema estremamente complicato. Un sistema di CAD è generalmente composto da due livelli di classificazione: la detection, responsabile dell’individuazione delle regioni sospette presenti sul mammogramma (ROI) e quindi dell’eliminazione preventiva delle zone non a rischio; la classificazione vera e propria (classification) delle ROI in masse e tessuto sano. Lo scopo principale di questa tesi è lo studio di nuove metodologie di detection che possano migliorare le prestazioni ottenute con le tecniche tradizionali. Si considera la detection come un problema di apprendimento supervisionato e lo si affronta mediante le Convolutional Neural Networks (CNN), un algoritmo appartenente al deep learning, nuova branca del machine learning. Le CNN si ispirano alle scoperte di Hubel e Wiesel riguardanti due tipi base di cellule identificate nella corteccia visiva dei gatti: le cellule semplici (S), che rispondono a stimoli simili ai bordi, e le cellule complesse (C) che sono localmente invarianti all’esatta posizione dello stimolo. In analogia con la corteccia visiva, le CNN utilizzano un’architettura profonda caratterizzata da strati che eseguono sulle immagini, alternativamente, operazioni di convoluzione e subsampling. Le CNN, che hanno un input bidimensionale, vengono solitamente usate per problemi di classificazione e riconoscimento automatico di immagini quali oggetti, facce e loghi o per l’analisi di documenti.