Design, synthesis and biological evaluation of substituted naphthalene diimides as anticancer agents

It has been proved that naphthalene diimide (NDI) derivatives display anticancer properties as intercalators and G-quadruplex-binding ligands, leading to DNA damage, senescence and down-regulation of oncogene expression. This thesis deals with the design and synthesis of disubstituted and tetrasubstituted NDI derivatives endowed with anticancer activity, interacting with DNA together with other targets implicated in cancer development. Disubstituted NDI compounds have been designed with the aim to provide potential multitarget directed ligands (MTDLs), in order to create molecules able to simultaneously interact with some of the different targets involved in this pathology. The most active compound, displayed antiproliferative activity in submicromolar range, especially against colon and prostate cancer cell lines, the ability to bind duplex and quadruplex DNA, to inhibit Taq polymerase and telomerase, to trigger caspase activation by a possible oxidative mechanism, to downregulate ERK 2 protein and to inhibit ERKs phosphorylation, without acting directly on microtubules and tubuline. Tetrasubstituted NDI compounds have been designed as G-quadruplex-binding ligands endowed with anticancer activity. In order to improve the cellular uptake of the lead compound, the N-methylpiperazine moiety have been replaced with different aromatic systems and methoxypropyl groups. The most interesting compound was 1d, which was able to interact with the G-quadruplexes both telomeric and in HSP90 promoter region, and it has been co-crystallized with the human telomeric G-quadruplex, to directly verify its ability to bind this kind of structure, and also to investigate its binding mode. All the morpholino substituted compounds show antiproliferative activity in submicromolar values mainly in pancreatic and lung cancer cell lines, and they show an improved biological profile in comparison with that of the lead compound. In conclusion, both these studies, may represent a promising starting point for the development of new interesting molecules useful for the treatment of cancer, underlining the versatility of the NDI scaffold.

Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.

Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

Effetti della Salinizzazione sugli Invertebrati del suolo

Lo scopo di questa tesi è quello di valutare l'effetto della salinizzazione dei suoli sugli invertebrati edafici. Nell'ambito di questo obiettivo generale sono state effettuate due distinte attività di ricerca: una indagine sul campo e una serie di esperimenti di laboratorio. Lo studio sul campo è stato condotto nella Pineta di San Vitale (Ravenna, Italia). L'obiettivo specifico è stato quello di valutare la qualità biologica dei suoli attraverso l'analisi del popolamento dei microartropodi edafici, in relazione alla diversità del suolo e in particolare alla salinizzazione. La qualità biologica dei suoli è stata valutata mediante l'indice QBS-ar. La Pineta è stata campionata nella zona Est, più colpita da intrusione salina e nella zona Ovest dove questo fenomeno è meno evidente. I campionamenti sono stati effettuati in primavera ed estate. I risultati confermano che le caratteristiche chimico-fisiche si modificano in base al gradiente sommità dunali-depressioni interdunali. Per quanto riguarda il popolamento dei microartropodi alcune caratteristiche sono comuni alla maggior parte delle stazioni con lo stesso pedotipo. Non è stato evidenziato alcuno stress sui popolamenti attribuibule alla salinizzazione. Nel complesso, i valori di QBS-ar sono piuttosto elevati. Gli esperimenti di laboratorio sono stati finalizzata alla valutazione degli effetti combinati della salinità del suolo e della contaminazione da pesticidi (chlorpyrifos) sul lombrico Eisenia andrei. Nel complesso, i risultati indicano che effetti avversi sui lombrichi sono possibili a livelli di salinizzazione dei suoli ancora compatibili a concentrazioni di chlorpyrifos che sono piuttosto alte in confronto con i tipici risultati di campo, ma ancora compatibili con l'uso consigliato.

Studio ed analisi della sicurezza del protocollo SIP nelle reti Voice over IP

Nell'era di Internet e della digitalizzazione, anche la telefonia ha avuto la possibilità di evolversi, e grazie alle tecnologie Voice-over-IP è stato possibile realizzare servizi di comunicazione avanzata su reti di dati. Anche se la comunicazione vocale è l'aspetto chiave di questi sistemi, le reti VoIP supportano altri tipi di servizi, tra cui video, messaggistica istantanea, condivisione di file, ecc. Il successo di questa nuova tipologia di rete è dovuto ad una migliore flessibilità rispetto ai vecchi sistemi analogici, grazie ad architetture aperte e implementazioni a livello software, e soprattutto ad un minor costo legato alle apparecchiature ed ai collegamenti utilizzati, ed ai nuovi modelli di business e di consumo sempre più orientati allo sfruttamento della connettività a banda larga. Tuttavia, l'implementazione dei sistemi VoIP rappresenta anche un grado di complessità maggiore in termini di architetture di rete, di protocolli, e di implementazione, e con questo ne segue un incremento delle possibili vulnerabilità. Una falla nella sicurezza in questi sistemi può portare a disservizi e violazione della privacy per gli utenti con conseguenti ripercussioni economiche per i relativi gestori. La tesi analizza la sicurezza delle reti VoIP concentrandosi sul protocollo che sta alla base dei servizi multimediali, il protocollo SIP. SIP è un protocollo di livello applicativo realizzato per creare, modificare e terminare delle sessioni multimediali tra due o più utenti. Dopo un'introduzione alle generalità del protocollo, vengono esaminate le classi di vulnerabilità delle reti VoIP e gli attacchi a SIP, e vengono presentate alcune contromisure attuabili. Viene mostrato un esempio di come vengano attuati alcuni dei principali attacchi a SIP tramite l'utilizzo di appositi strumenti. L'eborato conclude con alcune considerazioni sulle minacce al protocollo e sugli obiettivi futuri che la comunità scientifica dovrebbe perseguire.

Sistemi innovativi per il miglioramento della qualità e della sicurezza degli alimenti

Nell’attuale contesto, caratterizzato da un’elevata attenzione alla qualità e alla sicurezza degli alimenti e alle soluzioni tese a garantirli, l’implementazione di sistemi microelettronici per il controllo del prodotto attraverso supporti miniaturizzati e a basso costo può risultare un’opportunità strategica. Oggetto della ricerca di dottorato sono stati lo studio dell’utilizzo di sensori e strumentazione innovativi per la misurazione ed il controllo di parametri ambientali di conservazione di prodotti alimentari e per la loro identificazione mediante la tecnologia della radiofrequenza. Allo scopo è stato studiato il contesto in cui operano gli attori principali della filiera agroalimentare ed è stata sviluppata un’idea di etichetta progettata per essere in grado di emettere attivamente segnale di allarme in caso di necessità (etichetta RFID intelligente semi-passiva). Il prototipo di chip, realizzato in via sperimentale, è stato validato positivamente, sia come strumento di misura, sia in termini di prestazione nel caso studio del monitoraggio della conservazione di un prodotto alimentare in condizioni controllate di temperatura e radiazione luminosa. Le significative evidenze analitiche di reazioni di degradazione dello stato qualitativo del prodotto, quali analisi di pH e colore, raccolte durante il periodo di osservazione di 64 giorni, hanno trovato riscontro con le misure rilevate dal chip prototipo. I risultati invitano ad individuare un partner industriale, con il quale sperimentare l’applicazione della tecnologia proposta.

Effetti idrodinamici prodotti dal costume tecnico sul nuotatore

L’introduzione dei costumi tecnici nel nuoto ha portato miglioramenti senza precedenti sulla prestazione. I miglioramenti nella velocità di nuoto sono stati attribuiti dalla letteratura a riduzioni nelle resistenze idrodinamiche sul nuotatore. Tuttavia, gli effetti specifici dovuti all’utilizzo di questo tipo di costume non sono ancora completamente chiariti. Questa tesi aveva l’obiettivo di indagare gli effetti del costume tecnico sul galleggiamento statico, sulla posizione del corpo e sulla resistenza idrodinamica in avanzamento passivo. Nello studio preliminare sono stati misurati la spinta idrostatica, i volumi polmonari dinamici e la circonferenza toracica di 9 nuotatori che indossavano un costume tradizionale o un costume tecnico in gomma sintetica. Indossare il costume tecnico ha determinato una riduzione significativa del galleggiamento statico, e la compressione toracica causata da questo tipo di costume potrebbe avere una relazione con la significativa riduzione dei volumi polmonari misurati quando il nuotatore indossa questo tipo di costume. Un successiva analisi prevedeva il traino passivo di 14 nuotatori che mantenevano la miglior posizione idrodinamica di scivolamento indossando un costume tradizionale, tecnico in tessuto e tecnico in gomma. La posizione del corpo in avanzamento è stata misurata con un’analisi cinematica. La resistenza passiva indossando i costumi tecnici è risultata significativamente minore per entrambi i costumi tecnici rispetto alla prova con costume tradizionale. L’analisi condotta attraverso modelli di regressione lineari ha mostrato che una parte della riduzione della resistenza passiva era legata a proprietà intrinseche dei costumi tecnici. Tuttavia, anche l’area di impatto frontale determinata dall’inclinazione del tronco del soggetto in scivolamento e l’inclinazione degli arti inferiori hanno mostrato una marcata influenza sulla resistenza idrodinamica passiva. Pertanto, la riduzione di resistenza idrodinamica durante lo scivolamento passivo effettuato con costume tecnico da nuoto è attribuibile, oltre all’effetto del materiale di composizione del costume, ad una variazione della posizione del corpo del nuotatore.

Unusual corrections to scaling in excited states of conformal field theory

In questo lavoro abbiamo studiato la presenza di correzioni, dette unusuali, agli stati eccitati delle teorie conformi. Inizialmente abbiamo brevemente descritto l'approccio di Calabrese e Cardy all'entropia di entanglement nei sistemi unidimensionali al punto critico. Questo approccio permette di ottenere la famosa ed universale divergenza logaritmica di questa quantità. Oltre a questo andamento logaritmico son presenti correzioni, che dipendono dalla geometria su cui si basa l'approccio di Calabrese e Cardy, il cui particolare scaling è noto ed è stato osservato in moltissimi lavori in letteratura. Questo scaling è dovuto alla rottura locale della simmetria conforme, che è una conseguenza della criticità del sistema, intorno a particolari punti detti branch points usati nell'approccio di Calabrese e Cardy. In questo lavoro abbiamo dimostrato che le correzioni all'entropia di entanglement degli stati eccitati della teoria conforme, che può anch'essa essere calcolata tramite l'approccio di Calabrese e Cardy, hanno lo stesso scaling di quelle osservate negli stati fondamentali. I nostri risultati teorici sono stati poi perfettamente confermati dei calcoli numerici che abbiamo eseguito sugli stati eccitati del modello XX. Sono stati inoltre usati risultati già noti per lo stato fondamentale del medesimo modello per poter studiare la forma delle correzioni dei suoi stati eccitati. Questo studio ha portato alla conclusione che la forma delle correzioni nei due differenti casi è la medesima a meno di una funzione universale.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Il destino del Contra Celsum nel ‘400-‘700 in Europa

La tesi di dottorato del dott. Wu Gongqing è il frutto di un lavoro di studio e ricerca durato tre anni e condotto usufruendo delle strutture di ricerca della Fondazione per le Scienze Religiose Giovanni XXIII di Bologna. L'obiettivo del lavoro che il candidato presenta è quello di offrire un quadro della ricezione di una delle maggiori opere di Origene, il Contra Celsum, nella cultura dell'Europa moderna. Il punto di vista scelto per condurre questa indagine è quello delle edizioni e traduzioni che il testo conobbe a partire dal 1481 sino alla fine del Settecento. La scansione del lavoro segue il susseguirsi delle diverse edizioni, con un capitolo dedicato alle edizioni umanistiche e al loro impatto sulla cultura italiana ed europea fra Quattro e Cinquecento. Seguono i capitoli dedicati alle edizioni di Hoeschel, Spencer, Bouhéreau e Delarue, Mosheim e Tamburini. In ciascun capitolo il ricercatore prende in esame le diverse edizioni e traduzioni, analizzandone le caratteristiche letterarie principali, lo stile, il rapporto con la tradizione manoscritta, la diffusione e cercando di ricondurre ciascuna di esse al proprio specifico ambito storico-culturale.

Study of the inter-annual variability of particle vertical fluxes in two moorings in the Ross Sea (Antarctica)

The most ocean - atmosphere exchanges take place in polar environments due to the low temperatures which favor the absorption processes of atmospheric gases, in particular CO2. For this reason, the alterations of biogeochemical cycles in these areas can have a strong impact on the global climate. With the aim of contributing to the definition of the mechanisms regulating the biogeochemical fluxes we have analyzed the particles collected in the Ross Sea in different years (ROSSMIZE, BIOSESO 1 and 2, ROAVERRS and ABIOCLEAR projects) in two sites (mooring A and B). So it has been developed a more efficient method to prepare sediment trap samples for the analyses. We have also processed satellite data of sea ice, chlorophyll a and diatoms concentration. At both sites, in each year considered, there was a high seasonal and inter-annual variability of biogeochemical fluxes closely correlated with sea ice cover and primary productivity. The comparison between the samples collected at mooring A and B in 2008 highlighted the main differences between these two sites. Particle fluxes at Mooring A, located in a polynia area, are higher than mooring B ones and they happen about a month before. In the mooring B area it has been possible to correlate the particles fluxes to the ice concentration anomalies and with the atmospheric changes in response to El Niño Southern Oscillations. In 1996 and 1999, years subjected to La Niña, the concentrations of sea ice in this area have been less than in 1998, year subjected to El Niño. Inverse correlation was found for 2005 and 2008. In the mooring A area significant differences in mass and biogenic fluxes during 2005 and 2008 has been recorded. This allowed to underline the high variability of lateral advection processes and to connect them to the physical forcing.

Land use management in mountainous areas: combining ground-based and EO (Earth Observation) data to investigate the shallow landsliding susceptibility in the Duron valley (Trento, Italy).

Throughout the alpine domain, shallow landslides represent a serious geologic hazard, often causing severe damages to infrastructures, private properties, natural resources and in the most catastrophic events, threatening human lives. Landslides are a major factor of landscape evolution in mountainous and hilly regions and represent a critical issue for mountainous land management, since they cause loss of pastoral lands. In several alpine contexts, shallow landsliding distribution is strictly connected to the presence and condition of vegetation on the slopes. With the aid of high-resolution satellite images, it's possible to divide automatically the mountainous territory in land cover classes, which contribute with different magnitude to the stability of the slopes. The aim of this research is to combine EO (Earth Observation) land cover maps with ground-based measurements of the land cover properties. In order to achieve this goal, a new procedure has been developed to automatically detect grass mantle degradation patterns from satellite images. Moreover, innovative surveying techniques and instruments are tested to measure in situ the shear strength of grass mantle and the geomechanical and geotechnical properties of these alpine soils. Shallow landsliding distribution is assessed with the aid of physically based models, which use the EO-based map to distribute the resistance parameters across the landscape.

New associations between native parasitoids and exotic insects introduced in Italy and in Europe

The introduction of exotic species is one of the most important threats to biodiversity.This phenomenon may cause economic and environmental damage. To prevent these invasions there are institutions like EPPO. Nevertheless, the introduction of exotic pests is an increasing issue, difficult to control. Classic biological control, based on importation of natural enemies from the country of origin, has been successfully used for over 120 years, but it has also raised some criticism. My research work has focused on the study of the new associations occurring between indigenous parasitoids and three exotic pests introduced in Italy and Europe. The three target insects considered were: Cacyreus marshalli Butler (Lepidoptera: Lycaenidae), a pest of Geranium plants; Dryocosmus kuriphilus Yasumatsu (Hymenoptera: Cynipidae), a plague of Castanea sp. and Harmonia axyridis (Pallas) (Coleoptera: Coccinellidae). This ladybug has been introduced as a biological control agent, but since some years it considered as an invasive species. For C. marshalli I performed laboratory tests on acceptance and suitability of immature stages of this butterfly by Exorista larvarum (Diptera: Tachinidae) and Brachymeria tibialis (Hymenoptera: Chalcidicae). The experiments showed that these two parasitoids could be used to contain this pest. For D. kuriphilus I performed field samplings in an infested chestnut area, the samples were maintained in rearing chamber until gall wasp or parasitoids emergence. In the 3-year research many parasitoids of gall wasps were found; one of these, Torymus flavipes (Walker), was found in large number. For H. axyridis the research work included a first phase of field sampling, during which I searched indigenous parasitoids which had adapted to this new host; the only species found was Dinocampus coccinellae (Schrank) (Hymenoptera: Braconidae). Laboratory tests were performed on the wasp rearing, biology and capacity to contain H. axyridis.

Characterization of fold-related fractures in the carbonate rocks of the Cingoli anticline, northern Apennines, Italy

Thrust fault-related folds in carbonate rocks are characterized by deformation accommodated by different structures, such as joints, faults, pressure solution seams, and deformation bands. Defining the development of fracture systems related to the folding process is significant both for theoretical and practical purposes. Fracture systems are useful constrains in order to understand the kinematical evolution of the fold. Furthermore, understanding the relationships between folding and fracturing provides a noteworthy contribution for reconstructing the geodynamic and the structural evolution of the studied area. Moreover, as fold-related fractures influence fluid flow through rocks, fracture systems are relevant for energy production (geothermal studies, methane and CO2 , storage and hydrocarbon exploration), environmental and social issues (pollutant distribution, aquifer characterization). The PhD project shows results of a study carried out in a multilayer carbonate anticline characterized by different mechanical properties. The aim of this study is to understand the factors which influence the fracture formation and to define their temporal sequence during the folding process. The studied are is located in the Cingoli anticline (Northern Apennines), which is characterized by a pelagic multilayer characterized by sequences with different mechanical stratigraphies. A multi-scale analysis has been made in several outcrops located in different structural positions. This project shows that the conceptual sketches proposed in literature and the strain distribution models outline well the geometrical orientation of most of the set of fractures observed in the Cingoli anticline. On the other hand, the present work suggests the relevance of the mechanical stratigraphy in particular controlling the type of fractures formed (e.g. pressure solution seams, joints or shear fractures) and their subsequent evolution. Through a multi-scale analysis, and on the basis of the temporal relationship between fracture sets and their orientation respect layering, I also suggest a conceptual model for fracture systems formation.

Silicon oxide nitride (sion) films per applicazioni fotovoltaiche

La ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sullo studio di materiali con energy gap più ampio del silicio amorfo a-Si per ridurre gli assorbimenti parassiti all'interno di celle fotovoltaiche ad eterogiunzione. In questo ambito, presso l'Università di Costanza, sono stati depositati layers di silicon oxynitride amorfo a-SiOxNy. Le promettenti aspettative di questo materiale legate all'elevato optical gap, superiore ai 2.0 eV, sono tuttavia ridimensionate dai problemi intrinseci alla struttura amorfa. Infatti la presenza di una grande quantit a di difetti limita fortemente la conducibilita e aumenta gli effetti di degradazione legati alla luce. In quest'ottica, nella presente tesi, sono stati riportati i risultati di analisi spettroscopiche eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna su campioni di silicon oxynitride nanocristallino nc-SiOxNy, analisi che hanno lo scopo di osservare come la struttura nanocristallina influisca sulle principali proprieta ottiche e sulla loro dipendenza da alcuni parametri di deposizione.