La biomimetica dello scaffold nell'ingegneria tissutale dell'osso

Ogni giorno nel mondo vengono eseguite migliaia di procedure chirurgiche per sostituire o riparare tessuti che sono stati danneggiati da malattie o traumi. L'ingegneria tissutale rappresenta una strategia alternativa che mira a rigenerare i tessuti danneggiati combinando cellule e biomateriali altamente porosi che fungano da impalcature (scaffolds). In questa tesi compilativa si presenta un approccio recentemente proposto per la rigenerazione del tessuto osseo. Saranno inizialmente descritte caratteristiche e proprietà dell'osso a livello macro e microscopico e il processo riparativo fisiologico. Si illustreranno quindi i principi dell'ingegneria tissutale, evidenziando i biomateriali utilizzabili, le cellule indicate per la rigenerazione e i rapporti funzionali tra di esse e lo scaffold che deve sostenerne la crescita. Successivamente si descriverà il concetto di ‘biomimetica’ dello scaffold e i metodi impiegati per migliorarne la funzionalità, imitando sia l'aspetto meccanico sia quello biologico della reale matrice ossea; verrà trattato infine un caso di scaffold biomimetico realizzato con nanocompositi, che appare un promettente sostitutivo dell'osso.

Applicazione del telerilevamento satellitare nella gestione degli interventi irrigui in agricoltura

A partire dalle osservazioni effettuate oggi dai moderni sensori satellitari, nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico, è possibile estrarre informazioni sullo stato fenologico delle colture e caratteristiche proprie della chioma della vegetazione che, combinate all’uso di dati agro-metereologici, e seguendo opportune metodologie, consentono di ricavare mappe di fabbisogno idrico delle colture. Facendo convergere all’interno di un Sistema Informativo Geografico immagini satellitari ad alta risoluzione opportunamente elaborate, informazioni agrometeorologiche provenienti da stazioni di misura a terra e dati vettoriali contenenti i confini del territorio, è oggi pensabile l’implementazione di sistemi di supporto all’irrigazione che siano in grado di produrre informazioni, per la singola azienda agricola, sull’utilizzo ottimale dei volumi d’acqua irrigui necessari alle diverse colture.

Analisi quantitativa dell'espressione genica mediante real-time rt-pcr.

Il primo capitolo di questo lavoro di tesi introduce i concetti di biologia necessari per comprendere il fenomeno dell’espressione genica. Il secondo capitolo descrive i metodi e le tecniche di laboratorio utilizzate per ottenere il cDNA, il materiale genetico che verrà amplificato nella real-time PCR. Nel terzo capitolo si descrive la tecnica di real-time PCR, partendo da una descrizione della PCR convenzionale fino a delineare le caratteristiche della sua evoluzione in real-time PCR. Si prosegue con la spiegazione del principio fisico alla base della tecnica e delle molecole necessarie (fluorofori e sonde) per realizzarla; infine si descrive l’hardware e il software dello strumento. Il quarto capitolo presenta le tecniche di analisi del segnale che utilizzano metodi di quantificazione assoluta o relativa. Infine nel quinto capitolo è presentato un caso di studio, cioè un’analisi di espressione genica con real-time PCR condotta durante l’esperienza di tirocinio presso il laboratorio ICM. e delle molecole necessarie (fluorofori e sonde) per realizzarla; infine si descrive l’hardware e il software dello strumento. Il quarto capitolo presenta le tecniche di analisi del segnale che utilizzano metodi di quantificazione assoluta o relativa. Infine nel quinto capitolo è presentato un caso di studio, cioè un’analisi di espressione genica con real-time PCR condotta durante l’esperienza di tirocinio presso il laboratorio ICM.

Phage therapy: A software system for phage quantification and kinetic model inference.

One of the most serious problems of the modern medicine is the growing emergence of antibiotic resistance among pathogenic bacteria. In this circumstance, different and innovative approaches for treating infections caused by multidrug-resistant bacteria are imperatively required. Bacteriophage Therapy is one among the fascinating approaches to be taken into account. This consists of the use of bacteriophages, viruses that infect bacteria, in order to defeat specific bacterial pathogens. Phage therapy is not an innovative idea, indeed, it was widely used around the world in the 1930s and 1940s, in order to treat various infection diseases, and it is still used in Eastern Europe and the former Soviet Union. Nevertheless, Western scientists mostly lost interest in further use and study of phage therapy and abandoned it after the discovery and the spread of antibiotics. The advancement of scientific knowledge of the last years, together with the encouraging results from recent animal studies using phages to treat bacterial infections, and above all the urgent need for novel and effective antimicrobials, have given a prompt for additional rigorous researches in this field. In particular, in the laboratory of synthetic biology of the department of Life Sciences at the University of Warwick, a novel approach was adopted, starting from the original concept of phage therapy, in order to study a concrete alternative to antibiotics. The innovative idea of the project consists in the development of experimental methodologies, which allow to engineer a programmable synthetic phage system using a combination of directed evolution, automation and microfluidics. The main aim is to make “the therapeutics of tomorrow individualized, specific, and self-regulated” (Jaramillo, 2015). In this context, one of the most important key points is the Bacteriophage Quantification. Therefore, in this research work, a mathematical model describing complex dynamics occurring in biological systems involving continuous growth of bacteriophages, modulated by the performance of the host organisms, was implemented as algorithms into a working software using MATLAB. The developed program is able to predict different unknown concentrations of phages much faster than the classical overnight Plaque Assay. What is more, it gives a meaning and an explanation to the obtained data, making inference about the parameter set of the model, that are representative of the bacteriophage-host interaction.

Engineering the synthesis of lantibiotics in e. Coli by combining the cynnamicin and nisin modification systems.

I lantibiotici sono molecole peptidiche prodotte da un gran numero di batteri Gram-positivi, posseggono attività antibatterica contro un ampio spettro di germi, e rappresentano una potenziale soluzione alla crescente problematica dei patogeni multi-resistenti. La loro attività consiste nel legame alla membrana del bersaglio, che viene quindi destabilizzata mediante l’induzione di pori che determinano la morte del patogeno. Tipicamente i lantibiotici sono formati da un “leader-peptide” e da un “core-peptide”. Il primo è necessario per il riconoscimento della molecola da parte di enzimi che effettuano modifiche post-traduzionali del secondo - che sarà la regione con attività battericida una volta scissa dal “leader-peptide”. Le modifiche post-traduzionali anticipate determinano il contenuto di amminoacidi lantionina (Lan) e metil-lantionina (MeLan), caratterizzati dalla presenza di ponti-tioetere che conferiscono maggior resistenza contro le proteasi, e permettono di aggirare la principale limitazione all’uso dei peptidi in ambito terapeutico. La nisina è il lantibiotico più studiato e caratterizzato, prodotto dal batterio L. lactis che è stato utilizzato per oltre venti anni nell’industria alimentare. La nisina è un peptide lungo 34 amminoacidi, che contiene anelli di lantionina e metil-lantionina, introdotti dall’azione degli enzimi nisB e nisC, mentre il taglio del “leader-peptide” è svolto dall’enzima nisP. Questo elaborato affronta l’ingegnerizzazione della sintesi e della modifica di lantibiotici nel batterio E.coli. In particolare si affronta l’implementazione dell’espressione eterologa in E.coli del lantibiotico cinnamicina, prodotto in natura dal batterio Streptomyces cinnamoneus. Questo particolare lantibiotico, lungo diciannove amminoacidi dopo il taglio del leader, subisce modifiche da parte dell’enzima CinM, responsabile dell’introduzione degli aminoacidi Lan e MeLan, dell’enzima CinX responsabile dell’idrossilazione dell’acido aspartico (Asp), e infine dell’enzima cinorf7 deputato all’introduzione del ponte di lisinoalanina (Lal). Una volta confermata l’attività della cinnamicina e di conseguenza quella dell’enzima CinM, si è deciso di tentare la modifica della nisina da parte di CinM. A tal proposito è stato necessario progettare un gene sintetico che codifica nisina con un leader chimerico, formato cioè dalla fusione del leader della cinnamicina e del leader della nisina. Il prodotto finale, dopo il taglio del leader da parte di nisP, è una nisina completamente modificata. Questo risultato ne permette però la modifica utilizzando un solo enzima invece di due, riducendo il carico metabolico sul batterio che la produce, e inoltre apre la strada all’utilizzo di CinM per la modifica di altri lantibiotici seguendo lo stesso approccio, nonché all’introduzione del ponte di lisinoalanina, in quanto l’enzima cinorf7 necessita della presenza di CinM per svolgere la sua funzione.

Messa a punto di un sistema di microscopia per l'analisi quantitativa di segnali fluorescenti

L’elaborato di tesi, che rientra nell’ambito di un progetto di collaborazione tra l’equipe del laboratorio ICM “Silvio Cavalcanti”, coordinato dal professor Giordano, e il CVG (Computer Vision Group) coordinato dal professor Bevilacqua, mira alla messa a punto di un sistema di misura quantitativa di segnali fluorescenti, tramite l’elaborazione di immagini acquisite in microscopia ottica.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

Microphysiological systems: Nuove piattaforme di coltura cellulare per applicazioni di interesse biomedico

In questo elaborato verranno presentati le finalità, gli sviluppi e le prospettive future di una tipologia di coltura cellulare, ovvero dei microphysiological systems - MPS (o organs-on-chips), nuovi microdispositivi atti a riprodorre il più fedelmente possibile le condizioni fisiologiche adatte per la crescita e il mantenimento di strutture cellulari complesse. Verranno quindi inizialmente descritte le specifiche di base di questi dispositivi, sottolineandone l'innovatività dal punto di vista tecnologico e funzionale. Grazie agli MPS è infatti stato possibile intraprendere studi per una migliore comprensione del comportamento in condizioni dinamiche di una vasta gamma di tessuti, e la risposta di questi a stimoli chimici e fisici, rappresentativi di condizioni fisiologiche o patologiche, aprendo così le porte a nuovi standard per la sperimentazione clinica. Verrà quindi proposto un caso di studio, che riguarda l'applicazione di quanto sopra all'ambito cardiocircolatorio, prendendo in esame un modello di heart-on-a-chip, descrivendolo in tutte le fasi della sua realizzazione e infine discutendo uno studio riguardante la risposta delle cellule del muscolo cardiaco a un trattamento farmacologico.

Prototipazione rapida di interesse biomedico mediante stampa 3d / manifattura additiva

Descrizione delle caratteristiche della manifattura additiva e delle principali tecniche di stampa 3d. Esempio di impiego di questa tecnica in ambito biomedico per la fabbricazione di prototipi di dispositivi pronti all'uso utilizzabili per test e studi ulteriori.

Protocolli e applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR).

Con il seguente lavoro di tesi si propone un excursus dell’evoluzione della tecnica che ha permesso l’amplificazione del DNA in laboratorio, spiegandone i principi elementari di base. La scoperta che il DNA è il depositario dell’informazione genica ha aperto la strada a una nuova disciplina: la biologia molecolare, dove molte delle tecniche utilizzate limitano le funzioni naturali degli acidi nucleici. Dalla sua introduzione, la tecnologia PCR ha modificato il modo nel quale l’analisi del DNA viene condotta nei laboratori di ricerca e di diagnostica. Con lo scopo di rilevare direttamente sequenze genomiche specifiche in un campione biologico nasce l’esigenza di avere a disposizione metodologie con un’elevata soglia di sensibilità e specificità. Il primo capitolo di questo elaborato introduce la PCR nella sua prima formulazione. A partire da quantità estremamente ridotte di DNA, questa tecnica di amplificazione in vitro, consente di ottenere rapidamente milioni di molecole identiche della sequenza bersaglio di acido nucleico. A seguire, nel secondo capitolo, verrà trattata un’implementazione della PCR: la real-time PCR. La RT-PCR, introduce nuove opportunità poiché rende possibile la misurazione diretta e la quantificazione della reazione mentre è in atto. Con l’utilizzo di molecole fluorescenti che vengono incorporate nel prodotto in formazione o che si intercalano alla doppia elica, si può monitorare la formazione del prodotto di amplificazione in tempo reale seguendone l’assorbimento con un sistema spettrofotometrico, in un sistema automatizzato che provvede anche alle routine della PCR. Nel terzo e ultimo capitolo si analizza una nuova tecnologia recentemente commercializzata: la PCR in formato digitale. Verranno prese in esame essenzialmente due metodologie, la dPCR su chip e la ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction).

Sistemi radiomobili di quinta generazione

La tesi tratta le tecnologie radiomobili di quinta generazione. Analizza i principali problemi, e le più importanti proposte risolutive. Elenca le più importanti idee per ottenere i requisiti richiesti nella quinta generazione di sistemi radiomobili, tra cui il x1000 nella capacità del canale, la latenza < 1ms ecc.. Affronta il dettaglio delle tecnologie proposte da HUAWEI, F-OFDM e SCMA, illustrandone i vantaggi. Si conclude con una parte di simulazioni numeriche Matlab a proposito dell'SCMA.

Synthesis of novel ribose-based thioimidate n-oxides

This work is based on the study of new synthetic paths to obtain thioimidate N-oxides (TINOs) from D-ribose and to study their reactivity with the purpose to obtain ketonitrones. TINOs, aren’t well known molecules, but these enantiomerically pure backbones could be valuable intermediates in the synthesis of novel ketonitrones which are key intermediates in the synthesis of iminosugars. TINOs were discovered from the study of glucoraphanin, a particular glucosinolate, that unexpectedly cyclized into a TINO after desulfatation, by a spontaneous intramolecular Michael addition. The first part of this work was to synthetize the TINO 3 from D-ribose 1. The key step was the desilylative cyclisation of a suitably functionalized thiohydroximate 2. Based on precedent work developed in the laboratory, we could obtain the thiohydroximate from D-ribose. We then focused our studies on the cyclisation step trying to find the suitable substituents that could give the TINO in good yield by desilylative cyclisation. The second part of the project is to obtain ketonitrones 4 by palladiumcatalyzed coupling reaction.

Finite element modeling of flow/compression-induced deformation of alginate scaffolds for bone tissue engineering

Trauma or degenerative diseases such as osteonecrosis may determine bone loss whose recover is promised by a "tissue engineering“ approach. This strategy involves the use of stem cells, grown onboard of adequate biocompatible/bioreabsorbable hosting templates (usually defined as scaffolds) and cultured in specific dynamic environments afforded by differentiation-inducing actuators (usually defined as bioreactors) to produce implantable tissue constructs. The purpose of this thesis is to evaluate, by finite element modeling of flow/compression-induced deformation, alginate scaffolds intended for bone tissue engineering. This work was conducted at the Biomechanics Laboratory of the Institute of Biomedical and Neural Engineering of the Reykjavik University of Iceland. In this respect, Comsol Multiphysics 5.1 simulations were carried out to approximate the loads over alginate 3D matrices under perfusion, compression and perfusion+compression, when varyingalginate pore size and flow/compression regimen. The results of the simulations show that the shear forces in the matrix of the scaffold increase coherently with the increase in flow and load, and decrease with the increase of the pore size. Flow and load rates suggested for proper osteogenic cell differentiation are reported.

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.

Analisi dei processi di gestione delle UTI in un terminale intermodale: il caso dell'interporto Quadrante Europa di Verona

Il traffico merci e fondamentale per lo sviluppo economico delle societa poiche lo spostamento dei prodotti consente alle aziende di poter fare affidamento su mercati piu ampi permettendo ai consumatori di scegliere fra una piu vasta gamma di prodotti. In questo contesto grande importanza ha assunto l'intermodalita ed in particolare il trasporto combinato strada rotaia; l'interporto risulta essere la struttura piu adatta a promuovere questo sistema di trasporto merci. Questo lavoro di tesi pone l'attenzione sulla gestione dei processi che avvengono all'interno del terminal intermodale dell'interporto Quadrante Europa di Verona. L'elaborato, dopo una descrizione delle caratteristiche operative e funzionali del trasporto intermodale, schematizza le diverse fasi che si susseguono all'interno del terminal, con particolare riferimento alla gestione dei semirimorchi, ai loro tempi di giacenza e alla loro allocazione nelle diverse aree di sosta.