In silico methods to evaluate Fracture Risk and Bone Mineral Density changes in patients undergoing Total Hip Replacement

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

Validazione di un modello In Silico di progressione dell'osteoporosi per la predizione del rischio di frattura dell'anca

Questo lavoro di tesi contribuisce allo sviluppo di una metodologia in silico, che può essere utilizzata sia come strumento clinico per la predizione del rischio di frattura, sia come strumento per la valutazione dell’efficacia di trattamenti farmacologici. Lo scopo di questo lavoro è di validare un modello di progressione dell’osteoporosi utilizzando dati clinici prospettici. Per fare ciò, è stata utilizzata una procedura già precedentemente validata da Bhattacharya et al. su una coorte retrospettica di Sheffield, con validazione effettuata unicamente per l’ARF0. In questo lavoro di tesi è stata intergata una legge di invecchiamento dell’osso e predetto il carico di rottura del femore ed il rischio di frattura fino a cinque anni successivi all’esecuzione della CT (ARF5). I risultati ottenuti sono poi stati confrontati con i dati reali, ovvero con le reali fratture che sono avvenute o meno nei pazienti reali oggetto dello studio. La validazione su una coorte prospettica ha evidenziato una discriminazione tra fratturati e non fratturati migliore rispetto a quella trovata per la coorte retrospettica. Tuttavia, l’ARF5 e l’ARF0, sui trentaquattro soggetti considerati, hanno delle prestazioni confrontabili.

Studio del network metabolico umano: modelli e applicazioni.

Il lavoro di tesi si basa sull'analisi del database pubblico ReconX, il quale costituisce lo stato dell'arte della ricostruzione in silico del metabolismo umano. Il modello che se ne può estrarre è stato impiegato per simulazioni di metabolismo cellulare in condizioni di ossigeno variabile, valutando l'impatto della carenza di ossigeno sulle reazioni e su i pathways metabolici. Le tecniche impiegate appartengono alla systems biology e sono di tipo bioinformatico e riguardano flux balance analysis e flux variability analysis. I risultati trovati vengono quindi confrontati con la letteratura di settore. E' stato inoltre possibile estrarre dei sotto network dal modello principale, analizzando la rete di connessioni esistente fra i metaboliti e fra le reazioni separatamente. Viene estratto e studiato anche il network di interazione fra pathways, su cui è introdotta una misura ad hoc per valutare la forza di connessione fra i vari processi. Su quest'ultimo network viene anche effettuata un'analisi di tipo stocastico, mostrando che tecniche di tipo markoviano possono essere applicate per indagini diverse da quelle più in uso basate sui flussi. Infine viene mostrata una possibile soluzione per visualizzare graficamente i network metabolici così costituiti.

Modelli matematici di cardiomiociti derivanti da cellule staminali: una nuova formulazione per riprodurre gli effetti proaritmici del blocco della corrente di potassio

I cardiomiociti derivanti da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CMs) costituiscono un nuovo approccio per lo studio delle proprietà delle cellule cardiache sia degli individui sani che di quelli affetti da malattie ereditarie e possono rappresentare inoltre una piattaforma in vitro per la scoperta di nuovi farmaci e terapie rigenerative. Il grande impatto delle hiPSC-CMs nell’ambito della ricerca si deve soprattutto alle loro proprietà elettrofisiologiche: queste cellule non solo esprimono fenotipi genici e proprietà delle correnti ioniche tipiche delle cellule cardiache, ma sono anche in grado di riprodurre fenomeni aritmici, come le EAD, a seguito della somministrazione di farmaci. Grazie anche alla grande potenza di calcolo oggi disponibile è possibile supportare la pratica in vitro con modelli in silico, abbattendo sia i costi che i tempi richiesti dagli esperimenti in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro è quello di simulare il comportamento delle hiPSC-CMs di tipo ventricolare in risposta alla somministrazione di farmaci che interagiscono con la corrente di potassio IKr, principale responsabile della ripolarizzazione cardiaca. L’assunzione di certi farmaci può comportare infatti una riduzione della IKr, con conseguente prolungamento della fase di ripolarizzazione del potenziale d’azione cardiaco. Questo meccanismo è causa dell’insorgenza della sindrome del QT lungo di tipo 2, che in casi estremi può degenerare in aritmie gravi. Ciò suggerisce che queste cellule rappresentano un importante strumento per la valutazione del rischio pro-aritmico che può essere facilitata da simulazioni in silico effettuate utilizzando modelli computazionali basati su dati fisiologici.

Modellazione matematica delle dinamiche di rilevamento dell'espressione del gene N-MYC mediante un sensore biomolecolare sintetico

L'espressione del gene MYCN è un importante indicatore della severità del NBL. Poiché il numero di copie di MYCN è un indice grezzo della sua espressione quantificarle utilizzando tecniche come la “fluorescent in situ hybridization” (FISH) può servire a formulare una stima del livello di espressione MYCN [Shapiro 1993]. Tuttavia, l'espressione aberrante di MYCN nel NBL non è sempre associata all'amplificazione genica; pertanto la valutazione diretta del livello di espressione di questo gene sarebbe un miglior indicatore prognostico. Questa tesi è stata sviluppata nell'ambito di un progetto che si propone di realizzare un sensore biomolecolare sintetico per l'identificazione del livello di espressione di MYCN. Di seguito saranno presentati i dettagli relativi alla progettazione della topologia circuitale e all’analisi in silico che sono state condotte per caratterizzare il comportamento dinamico del sistema. Questo lavoro è stato svolto nel laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare "S. Cavalcanti", presso la Sede di Cesena del Dipartimento di Ingegneria dell'Energia elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi" (DEI) dell’Ateneo di Bologna.

A DFT study on chemodivergent preparation of piperidinic and morpholinic heterocycles

The topic of this thesis is the DFT computational study of the mechanisms for the synthesis of chiral 3,4,5-trisubstituted piperidines and 2,6-disubstituted morpholines. The goal of this synthesis is to use, the same substrate containing two electrophilic sites: an α,β-unsaturated ester and a ketone, which evolve according to the nucleophile used (cyanide, phenyl sulfide) through different addition and cyclization reactions. A quaternary ammonium salt is used as a catalyst for these reactions, which leads to a diastereoisomeric excess both for the reactions of morpholine and piperidine products. Studies in silico of the pathways of these reactions explain the chemoselection and diasteroselection deriving from the two nucleophiles used. In this case of piperidine products, it was also possible to validate the hypothesis of a concerted nucleophilic addition mechanism on the α,β-unsaturated site and cyclization due to an intramolecular Michael addition.

Sviluppo di un modello stocastico per la simulazione di sperimentazioni cliniche di nuovi trattamenti per l’osteoporosi

Le fratture fragili del collo del femore rappresentano un grave problema sociosanitario, in via di aggravamento a causa dell’aumento dell’età media e dell’aspettativa di vita. Il verificarsi di tale evento dipende da più fattori: la frequenza con la quale si verificano cadute, la gravità delle stesse e lo stato di salute del paziente, in particolare la resistenza meccanica delle sue ossa e il suo grado di controllo neuro-motorio. Negli ultimi anni gli strumenti di analisi e stima della resistenza meccanica del femore basati su modelli agli elementi finiti hanno raggiunto un tale livello di maturità da prospettarne l’utilizzo nel contesto di “in silico trials”, ovvero la simulazione virtuale di sperimentazioni cliniche e precliniche. In questo studio si è sviluppato un modello stocastico in grado di simulare la sperimentazione clinica di nuovi trattamenti per l’osteoporosi. Questo comprende più sotto modelli in grado di simulare il processo di invecchiamento, determinare stocasticamente le cadute che si verificano in una certa popolazione in un determinato orizzonte temporale e l’entità delle forze che agiscono sul grande trocantere. In particolare, le cadute sono state generate a partire da una distribuzione di Poisson e le forze sono state stimate attraverso un modello stocastico multiscala. La tesi si è concentrata su aspetti metodologici e procedurali, nell’ottica di sviluppare un modello che permettesse agevolmente la variazione dei parametri associati alla caduta, dotato di buone robustezza ed applicabilità. È stato verificato come la discretizzazione nel dominio del tempo del rimodellamento osseo non influisca significativamente nella determinazione delle fratture; inoltre, il modello si è dimostrato capace di fornire risultati stabili in modo computazionalmente efficiente. La validazione dei risultati del modello, invece, ha dato risultati non soddisfacenti, per cui sarà necessario procedere in futuro a un’attenta calibrazione dei parametri del modello.

Assessing model credibility of CT-Based finite element model to predict bone strength

Osteoporosis is one of the major causes of mortality among the elderly. Nowadays, areal bone mineral density (aBMD) is used as diagnostic criteria for osteoporosis; however, this is a moderate predictor of the femur fracture risk and does not capture the effect of some anatomical and physiological properties on the bone strength estimation. Data from past research suggest that most fragility femur fractures occur in patients with aBMD values outside the pathological range. Subject-specific finite element models derived from computed tomography data are considered better tools to non-invasively assess hip fracture risk. In particular, the Bologna Biomechanical Computed Tomography (BBCT) is an In Silico methodology that uses a subject specific FE model to predict bone strength. Different studies demonstrated that the modeling pipeline can increase predictive accuracy of osteoporosis detection and assess the efficacy of new antiresorptive drugs. However, one critical aspect that must be properly addressed before using the technology in the clinical practice, is the assessment of the model credibility. The aim of this study was to define and perform verification and uncertainty quantification analyses on the BBCT methodology following the risk-based credibility assessment framework recently proposed in the VV-40 standard. The analyses focused on the main verification tests used in computational solid mechanics: force and moment equilibrium check, mesh convergence analyses, mesh quality metrics study, evaluation of the uncertainties associated to the definition of the boundary conditions and material properties mapping. Results of these analyses showed that the FE model is correctly implemented and solved. The operation that mostly affect the model results is the material properties mapping step. This work represents an important step that, together with the ongoing clinical validation activities, will contribute to demonstrate the credibility of the BBCT methodology.

Validation of microFE models of human metastatic vertebrae

La colonna vertebrale è uno dei principali siti per lo sviluppo delle metastasi ossee. Esse modificano le proprietà meccaniche della vertebra indebolendo la struttura e inducendo l’instabilità spinale. La medicina in silico e i modelli agli elementi finiti (FE) hanno trovato spazio nello studio del comportamento meccanico delle vertebre, permettendo una valutazione delle loro proprietà meccaniche anche in presenza di metastasi. In questo studio ho validato i campi di spostamento predetti da modelli microFE di vertebre umane, con e senza metastasi, rispetto agli spostamenti misurati mediante Digital Volume Correlation (DVC). Sono stati utilizzati 4 provini da donatore umano, ognuno composto da una vertebra sana e da una vertebra con metastasi litica. Per ogni vertebra è stato sviluppato un modello microFE omogeneo, lineare e isotropo basato su sequenze di immagini ad alta risoluzione ottenute con microCT (voxel size = 39 μm). Sono state imposte come condizioni al contorno gli spostamenti ottenuti con la DVC nelle fette prossimali e distali di ogni vertebra. I modelli microFE hanno mostrato buone capacità predittive degli spostamenti interni sia per le vertebre di controllo che per quelle metastatiche. Per range di spostamento superiori a 100 μm, il valore di R2 è risultato compreso tra 0.70 e 0.99 e il valore di RMSE% tra 1.01% e 21.88%. Dalle analisi dei campi di deformazione predetti dai modelli microFE sono state evidenziate regioni a maggior deformazione nelle vertebre metastatiche, in particolare in prossimità delle lesioni. Questi risultati sono in accordo con le misure sperimentali effettuate con la DVC. Si può assumere quindi che il modello microFE lineare omogeneo isotropo in campo elastico produca risultati attendibili sia per le vertebre sane sia per le vertebre metastatiche. La procedura di validazione implementata potrebbe essere utilizzata per approfondire lo studio delle proprietà meccaniche delle lesioni blastiche.

Antibody-Antigen Interface Characterization with Contextualized Pre-trained Embeddings

Artificial Intelligence (AI) has substantially influenced numerous disciplines in recent years. Biology, chemistry, and bioinformatics are among them, with significant advances in protein structure prediction, paratope prediction, protein-protein interactions (PPIs), and antibody-antigen interactions. Understanding PPIs is critical since they are responsible for practically everything living and have several uses in vaccines, cancer, immunology, and inflammatory illnesses. Machine Learning (ML) offers enormous potential for effectively simulating antibody-antigen interactions and improving in-silico optimization of therapeutic antibodies for desired features, including binding activity, stability, and low immunogenicity. This research looks at the use of AI algorithms to better understand antibody-antigen interactions, and it further expands and explains several difficulties encountered in the field. Furthermore, we contribute by presenting a method that outperforms existing state-of-the-art strategies in paratope prediction from sequence data.