Noisy Oncology: applications of bounded noise transitions in modelling tumor growth

I tumori macroscopici e microscopici, dopo la loro prima fase di crescita, sono composti da un numero medio elevato di cellule. Così, in assenza di perturbazioni esterne, la loro crescita e i punti di equilibrio possono essere descritti da equazioni differenziali. Tuttavia, il tumore interagisce fortemente col macroambiente che lo circonda e di conseguenza una descrizione del tutto deterministica risulta a volte inappropriata. In questo caso si può considerare l'interazione con fluttuazioni statistiche, causate da disturbi esterni, utilizzando le equazioni differenziali stocastiche (SDE). Questo è vero in modo particolare quando si cerca di modellizzare tumori altamente immunogenici che interagiscono con il sistema immunitario, in quanto la complessità di questa interazione risulta in fenomeni di multistabilità. Così, il rumore può provocare disturbi e indurre transizioni di stato (Noise-Induced-Transitions). E' importante notare che una NIT può avere implicazioni profonde sulla vita di un paziente, dal momento che una transizione da uno stato di equilibrio piccolo, nelle dimensioni del tumore, ad uno stato di equilibrio macroscopico, nella maggior parte dei casi significa il passaggio dalla vita alla morte. Generalmente l'approccio standard è quello di modellizzare le fluttuazioni stocastiche dei parametri per mezzo di rumore gaussiano bianco o colorato. In alcuni casi però questa procedura è altamente inadeguata, a causa della illimitatezza intrinseca dei rumori gaussiani che può portare a gravi incongruenze biologiche: pertanto devono essere utilizzati dei rumori "limitati", che, tuttavia, sono molto meno studiati di quelli gaussiani. Inoltre, l'insorgenza di NIT dipende dal tipo di rumore scelto, che rivela un nuovo livello di complessità in biologia. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare le applicazioni di due tipi diversi di "rumori limitati" nelle transizioni indotte in due casi: interazione tra tumore e sistema immunitario e chemioterapia dei tumori. Nel primo caso, abbiamo anche introdotto un nuovo modello matematico di terapia, che estende, in modo nuovo, il noto modello di Norton-Simon.

Assessment of the resilience of coral reefs to natural and human disturbances by means of recruitment panels in Indo-Pacific

Indo-Pacific region encompasses about 75% of world's coral reefs, but hard coral cover in this region experienced a 32% region-wide decline since 1970s. This great change is primarily ascribable to natural and anthropogenic pressures, including climate change and human activities effects. Coral reef conservation requires management strategies oriented to maintain their diversity and the capacity to provide ecosystem goods and services. Coral reef resilience, i.e. the capacity to recover after disturbances, is critical to their long-term persistence. The aims of the present study were to design and to test field experiments intended to measure changes in recruitment processes, as a fundamental aspect of the coral reef resilience. Recruitment experiments, using artificial panels suspended in the water column, were carried out in two Indo-Pacific locations affected by different disturbances: a new mine in Bangka Island (Indonesia), and the increased sedimentation due to coastal dynamics in Vavvaru Island (Maldives). One (or more) putatively disturbed site(s) was selected to be tested against 3 randomly selected control sites. Panels’ arrangement simulates 2 proximities to living corals, i.e. the sources of propagules: few centimetres and 2 meters over. Panels were deployed simultaneously at each site and left submerged for about five months. Recruits were identified to the lowest possible taxonomic level and recruited assemblages were analysed in terms of percent cover. In general it was not possible to detect significant differences between the benthic assemblages recruited in disturbed and control sites. The high variability observed in recruits assemblages structure among control sites may be so large to mask the possible disturbance effects. Only few taxa showed possible effects of the disturb they undergo. The field tests have highlighted strengths and weaknesses of the proposed approach and, based on these results, some possible improvements were suggested.