MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

Development of in vitro methods to test acetabular prosthetic reconstructions (messa a punto di metodi in vitro per la caratterizzazione biomeccanica di ricostruzioni acetabolari)

The revision hip arthroplasty is a surgical procedure, consisting in the reconstruction of the hip joint through the replacement of the damaged hip prosthesis. Several factors may give raise to the failure of the artificial device: aseptic loosening, infection and dislocation represent the principal causes of failure worldwide. The main effect is the raise of bone defects in the region closest to the prosthesis that weaken the bone structure for the biological fixation of the new artificial hip. For this reason bone reconstruction is necessary before the surgical revision operation. This work is born by the necessity to test the effects of bone reconstruction due to particular bone defects in the acetabulum, after the hip prosthesis revision. In order to perform biomechanical in vitro tests on hip prosthesis implanted in human pelvis or hemipelvis a practical definition of a reference frame for these kind of bone specimens is required. The aim of the current study is to create a repeatable protocol to align hemipelvic samples in the testing machine, that relies on a reference system based on anatomical landmarks on the human pelvis. In chapter 1 a general overview of the human pelvic bone is presented: anatomy, bone structure, loads and the principal devices for hip joint replacement. The purpose of chapters 2 is to identify the most common causes of the revision hip arthroplasty, analysing data from the most reliable orthopaedic registries in the world. Chapter 3 presents an overview of the most used classifications for acetabular bone defects and fractures and the most common techniques for acetabular and bone reconstruction. After a critical review of the scientific literature about reference frames for human pelvis, in chapter 4, the definition of a new reference frame is proposed. Based on this reference frame, the alignment protocol for the human hemipelvis is presented as well as the statistical analysis that confirm the good repeatability of the method.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

Messa a punto di metodi per la caratterizzazione meccanica in vitro di segmenti ossei

In the last decade, the mechanical characterization of bone segments has been seen as a fundamental key to understanding how the distribution of physiological loads works on the bone in everyday life, and the resulting structural deformations. Therefore, characterization allows to obtain the main load directions and, consequently, to observe the structural lamellae of the bone disposal, in order to recreate a prosthesis using artificial materials that behave naturally. This thesis will expose a modular system which provides the mechanical characterization of bone in vitro segment, with particular attention to vertebrae, as the current object of study and research in the lab where I did my thesis work. The system will be able to acquire and process all the appropriately conditioned signals of interest for the test, through dedicated hardware and software architecture, with high speed and high reliability. The aim of my thesis is to create a system that can be used as a versatile tool for experimentation and innovation for future tests of the mechanical characterization of biological components, allowing a quantitative and qualitative assessment of the deformation in analysis, regardless of anatomical regions of interest.

Computer assisted synthesis and in-vitro cytotoxic evaluation of new pyrazole-fused isoquinolinoquinones derivatives as PI3K receptor antagonist with promising antitumoral activity

The importance of pyrazole and isoquinoline-5,8-dione scaffolds in medical chemistry is underlined by the high number of drugs currently on trading that contains these active ingredients. Due to their cytotoxic capability, the interest of medicinal chemists in these heterocyclic rings has grown exponentially especially, for cancer therapy. In this project, the first synthesis of pyrazole-fused isoquinoline-5,8-diones has been developed. 1,3-Dipolar cycloaddition followed by oxidative aromatization, established by our research group, has been employed. Screening of reaction conditions and characterization studies about the regioselectivity have been successfully performed. A remote control of regioselectivity, to achieve the two possible regioisomers has been accomplished. Through Molecular Docking studies, Structure-Activity relationship of differently substituted scaffolds containing our central core proved that a family of PI3K inhibitors have been discovered. Finally, in order to verify the promising antitumor activity, a first test of cell viability in vitro on T98G cell line of a solid brain tumor, the Glioblastoma Multiforme, showed cytotoxic inhibition comparable to currently trade anticancer drugs.

In vitro characterization of the three-dimensional strain pattern in human vertebrae affected by metastases

La colonna vertebrale è la principale sede di metastasi, le quali possono alterare la normale distribuzione dei tessuti ossei e ridurre la capacità della vertebra di sostenere carichi. L’instabilità spinale causata dalle metastasi, tuttavia, è di difficile determinazione. La caratterizzazione meccanica delle vertebre metastatiche permetterebbe di identificare e, di conseguenza trattare, quelle ad alto rischio di frattura. In questo studio, ho valutato il comportamento meccanico a rottura di vertebre umane affette da metastasi misurando in vitro il campo di deformazione. Undici provini, costituiti da due vertebre centrali, una metastatica e una sana, sono stati preparati e scansionati applicando carichi graduali di compressione in una micro-tomografia computerizzata (μCT). Le deformazioni principali sono state misurate attraverso un algoritmo globale di Digital Volume Correlation (DVC) e successivamente sono state analizzate. Lo studio ha rivelato che le vertebre con metastasi litiche raggiungono deformazioni maggiori delle vertebre sane. Invece, le metastasi miste non assicurano un comportamento univoco in quanto combinano gli effetti antagonisti delle lesioni litiche e blastiche. Dunque la valutazione è stata estesa a possibili correlazioni tra il campo di deformazione e la microstruttura della vertebra. L'analisi ha identificato le regioni in cui parte la frattura (a più alta deformazione), senza identificare, in termini microstrutturali, una zona preferenziale di rottura a priori. Infatti, alcune zone con un pattern trabecolare denso, presunte più rigide, hanno mostrato deformazioni maggiori di quelle dei tessuti sani, sottolineando l’importanza della valutazione della qualità del tessuto osseo. Questi risultati, generalizzati su un campione più ampio, potrebbero essere utilizzati per implementare nuovi criteri negli attuali sistemi di valutazione dell'instabilità spinale.