Multiplex network analysis with application to biological high-throughput data

In questa tesi vengono studiate alcune caratteristiche dei network a multiplex; in particolare l'analisi verte sulla quantificazione delle differenze fra i layer del multiplex. Le dissimilarita sono valutate sia osservando le connessioni di singoli nodi in layer diversi, sia stimando le diverse partizioni dei layer. Sono quindi introdotte alcune importanti misure per la caratterizzazione dei multiplex, che vengono poi usate per la costruzione di metodi di community detection . La quantificazione delle differenze tra le partizioni di due layer viene stimata utilizzando una misura di mutua informazione. Viene inoltre approfondito l'uso del test dell'ipergeometrica per la determinazione di nodi sovra-rappresentati in un layer, mostrando l'efficacia del test in funzione della similarita dei layer. Questi metodi per la caratterizzazione delle proprieta dei network a multiplex vengono applicati a dati biologici reali. I dati utilizzati sono stati raccolti dallo studio DILGOM con l'obiettivo di determinare le implicazioni genetiche, trascrittomiche e metaboliche dell'obesita e della sindrome metabolica. Questi dati sono utilizzati dal progetto Mimomics per la determinazione di relazioni fra diverse omiche. Nella tesi sono analizzati i dati metabolici utilizzando un approccio a multiplex network per verificare la presenza di differenze fra le relazioni di composti sanguigni di persone obese e normopeso.

Modelli e linguaggi per grafi multi-livello

I grafi sono molto utilizzati per la rappresentazione di dati, sopratutto in quelle aree dove l’informazione sull’interconnettività e la topologia dei dati è importante tanto quanto i dati stessi, se non addirittura di più. Ogni area di applicazione ha delle proprie necessità, sia in termini del modello che rappresenta i dati, sia in termini del linguaggio capace di fornire la necessaria espressività per poter fare interrogazione e trasformazione dei dati. È sempre più frequente che si richieda di analizzare dati provenienti da diversi sistemi, oppure che si richieda di analizzare caratteristiche dello stesso sistema osservandolo a granularità differenti, in tempi differenti oppure considerando relazioni differenti. Il nostro scopo è stato quindi quello di creare un modello, che riesca a rappresentare in maniera semplice ed efficace i dati, in tutte queste situazioni. Entrando più nei dettagli, il modello permette non solo di analizzare la singola rete, ma di analizzare più reti, relazionandole tra loro. Il nostro scopo si è anche esteso nel definire un’algebra, che, tramite ai suoi operatori, permette di compiere delle interrogazioni su questo modello. La definizione del modello e degli operatori sono stati maggiormente guidati dal caso di studio dei social network, non tralasciando comunque di rimanere generali per fare altri tipi di analisi. In seguito abbiamo approfondito lo studio degli operatori, individuando delle proprietà utili per fare delle ottimizzazioni, ragionando sui dettagli implementativi, e fornendo degli algoritmi di alto livello. Per rendere più concreta la definizione del modello e degli operatori, in modo da non lasciare spazio ad ambiguità, è stata fatta anche un’implementazione, e in questo elaborato ne forniremo la descrizione.

Recenti tecnologie per la chirurgia mini-invasiva cardiovascolare.

L’aterosclerosi rappresenta una delle malattie più diffuse in tutto il mondo ed è caratterizzata da infiammazione cronica delle arterie di grande e medio calibro. In Italia, per esempio, le conseguenze dell’aterosclerosi, quali infarti e ischemie, sono la principale causa di 224.482 decessi annui, pari al 38,8% del totale delle morti. Oltre all’aterosclerosi, una cardiomiopatia congenita abbastanza diffusa, soprattutto nei bambini, è la presenza di anomalie dei setti inter-atriali e inter-ventricolari, che seppure non siano molto pericolosi per la vita del paziente, possono portare a ipertensione polmonare. L’obiettivo di questa tesi è mostrare le tecnologie recenti utilizzati per la cura dell’aterosclerosi e per la rimozione delle placche ateromatose, e per la chiusura trans-catetere dei difetti inter-atriali e inter-ventricolari. Nel primo capitolo viene effettuata una concisa presentazione dell’anatomia e della fisiologia dell’apparato cardio-vascolare; nel secondo capitolo invece vengono prese in rassegna le patologie appena citate e le metodiche di imaging per la loro analisi, evidenziandone, per ognuna, pregi e difetti. Nel terzo capitolo verranno presentate tutte le tecnologie recenti per la cura dell’aterosclerosi, concentrandoci principalmente sulle arterie coronarie, che sono, statisticamente, le più colpite da questa patologia. Infine, sempre nel terzo capitolo, verranno presentati i dispositivi medici per la chiusura dei difetti inter-atriali e inter-ventricolari, chiamati informalmente “ombrellini". L’ultimo capitolo riguarderà un caso particolare, vale a dire il trattamento delle lesioni alle biforcazioni coronariche, che richiedono tecnologie per la cura leggermente diverse rispetto al trattamento di una lesione aterosclerotica di una singola arteria coronarica.

Multiple pathogen detection using nanoplasmonic sensing

Opportunistic diseases caused by Human Immunodeficiency Virus (HIV) and Hepatitis B Virus (HBV) is an omnipresent global challenge. In order to manage these epidemics, we need to have low cost and easily deployable platforms at the point-of-care in high congestions regions like airports and public transit systems. In this dissertation we present our findings in using Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based detection of pathogens and other clinically relevant applications using microfluidic platforms at the point-of-care setting in resource constrained environment. The work presented here adopts the novel technique of LSPR to multiplex a lab-on-a-chip device capable of quantitatively detecting various types of intact viruses and its various subtypes, based on the principle of a change in wavelength occurring when metal nano-particle surface is modified with a specific surface chemistry allowing the binding of a desired pathogen to a specific antibody. We demonstrate the ability to detect and quantify subtype A, B, C, D, E, G and panel HIV with a specificity of down to 100 copies/mL using both whole blood sample and HIV-patient blood sample discarded from clinics. These results were compared against the gold standard Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). This microfluidic device has a total evaluation time for the assays of about 70 minutes, where 60 minutes is needed for the capture and 10 minutes for data acquisition and processing. This LOC platform eliminates the need for any sample preparation before processing. This platform is highly multiplexable as the same surface chemistry can be adapted to capture and detect several other pathogens like dengue virus, E. coli, M. Tuberculosis, etc.

Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.

Approccio ed intervento riabilitativo per adolescenti con pectus excavatum. Una scoping review.

Background: Il pectus excavatum (EP) è l'anomalia congenita più comune della parete toracica. È caratterizzato da depressione variabile dello sterno e cartilagini costali inferiori. I pazienti con EP possono presentare molti sintomi diversi. Alcuni pazienti con EP soffrono di limitazioni funzionali, problematiche posturali e psicosociali legate all’immagine corporea. Tuttavia, i vari interventi non sono stati standardizzati. Obiettivi: Questa scoping review mira a mappare e sintetizzare la letteratura con lo scopo di identificare gli interventi riabilitativi presenti per adolescenti e bambini con pectus excavatum. Metodi: La ricerca, terminata ad agosto 2022, è stata effettuata nelle seguenti banche dati: PUBMED, Cochrane Library e PEDro. È stato inoltre utilizzato il motore di ricerca Google Scholar per contenuti della letteratura grigia. La selezione degli studi è avvenuta secondo precisi criteri di inclusione; sono stati considerati sia studi primari che secondari senza limiti geografici e di lingua. I risultati sono stati presentati sia in modalità numerica sia tematica. Risultati: Da 47 articoli iniziali, sono stati selezionati 30 articoli, di cui 8 systematic review, 5 RCT, 3 case reports, 2 preliminary reports, 6 studi retrospettivi, 1 case series, 2 studi primari diagnostici, 1 studio prospettico e 2 records dalla letteratura grigia. Il processo di selezione degli articoli è stato riportato attraverso il diagramma di flusso, mentre i contenuti dei singoli articoli sono stati schematizzati in una tabella sinottica. Conclusioni: Dall’analisi attuale della letteratura emerge che, nonostante la varietà dei trattamenti presenti negli articoli, rimane un’evidente lacuna sull’unanimità riguardo alle indicazioni e alle linee guida da seguire nell’approccio e intervento riabilitativo del ragazzo con diagnosi di pectus excavatum. Questa scoping review può rappresentare un punto di partenza per le future ricerche.