Seeing and feeling the body

Recognizing one’s body as separate from the external world plays a crucial role in detecting external events, and thus in planning adequate reactions to them. In addition, recognizing one’s body as distinct from others’ bodies allows remapping the experiences of others onto one’s sensory system, providing improved social understanding. In line with these assumptions, two well-known multisensory mechanisms demonstrated modulations of somatosensation when viewing both one’s own and someone else’s body: the Visual Enhancement of Touch (VET) and the Visual Remapping of Touch (VRT) effects. Vision of the body, in the former, and vision of the body being touched, in the latter, enhance tactile processing. The present dissertation investigated the multisensory nature of these mechanisms and their neural bases. Further experiments compared these effects for viewing one’s own body or viewing another person’s body. These experiments showed important differences in multisensory processing for one’s own body, and for other bodies, and also highlighted interactions between VET and VRT effects. The present experimental evidence demonstrated that a multisensory representation of one’s body – underlie by a high order fronto-parietal network - sends rapid modulatory feedback to primary somatosensory cortex, thus functionally enhancing tactile processing. These effects were highly spatially-specific, and depended on current body position. In contrast, vision of another person’s body can drive mental representations able to modulate tactile perception without any spatial constraint. Finally, these modulatory effects seem sometimes to interact with high order information, such as emotional content of a face. This allows one’s somatosensory system to adequately modulate perception of external events on the body surface, as a function of its interaction with the emotional state expressed by another individual.

Epidemiologia delle strongilosi dell'asino: quali applicazioni per il controllo delle infezioni da elminti?

Strongylosis in equids, despite being very common, have never been studied from a strictly ecological point of view. Mathematical models are important ecological tools used to study the temporal dynamics of parasite populations, and are useful to study the effect of different biological parameters, as well as to analyse the outcome produced by perturbations such as anthelmintic treatments. This work describes the study of the temporal dynamics of strongyles infection in an organic donkey population, performed using coprological quantitative analysis and donkeys’ age as a proxy of the time of infection. Force of infection was then estimated for Strongylus vulgaris and small strongyles and the results used as the basis for the development of mathematical models. In particular, the comparison of models output and field data made it possible to estimate the transmission coefficient  and to consequently calculate the basic reproduction number R0 and the threshold host density. Small strongyles model includes hypobiosis and, more interestingly as never found in literature, a density-dependent development rate of hypobiotic larvae in adult parasites in order to simulate a negative feedback between larvae emergence from hypobiosis and adult parasite abundance. Simulations of pharmacological and environmental treatments showed that parasite eradication was possible for S. vulgaris only, while small strongyles, due to hypobiosis and density-dependent development rate of their hypobiotic larvae, are very difficult to control and impossible to eradicate. In addition, density-dependence in larval development has been demonstrated to act as a key factor in improving parasite population survival and abundance even in absence of human intervention.

Agenti di encefalopatie spongiformi trasmissibili e zoonosi: tipizzazione molecolare

Transmissible spongiform encephalopathies (TSE) are neurodegenerative diseases caused by the conversion of the host-encoded cellular protein (PrPC) to a disease-associated isoform (PrPSc). The agent responsible for prion diseases may exist as different strains with specific biological and biochemical properties. According to the protein-only hypothesis, prion strain diversity is enciphered in PrPSc conformation. Molecular strain typing methods are based on the electrophoretic mobility of protease resistant core of PrPSc, on the susceptibility to protease digestion, on the glycosylation profile of PrPres and on the conformational stability of PrPSc. In this study a new conformational stability assay was developed based on the differential solubility of PrPC and PrPSc: CSSA (conformational stability and solubility assay). The conformational stability assay was performed by measuring PrPSc solubility in homogenates treated with increasing concentrations of GdnHCl, in the absence of proteinase K. Indeed, dose-response curves allowed estimation of the concentration of GdnHCl able to solubilise 50% of PrPSc. The results showed that this method is valuable for the biochemical typing of strains in bank voles and it is also a promising tool for molecular analysis of natural prion isolates. CSSA also revealed strain-specific PrPSc conformational stabilities of ovine natural isolates so that this feature, combined with the N-terminal PrPSc cleavage, allowed differentiation of classical scrapie, including CH1641-like, from natural goat BSE and experimental sheep BSE. In view of the implications concerning strain similarity between animal and human TSEs, the physico-chemical properties of the Nor98 with two human prion diseases (VPSPr and GSS) were compared in order to investigate the extent of the similarity between animal and human prion strains. The results showed an unexpected heterogeneity of the molecular features among human and sheep TSEs associated with internal PrPres fragments with the possible exception of Nor98 and a case of GSS P102L. These similarities and differences need further investigation by N- and C-terminal sequencing and biological characterization.

Studio in vitro della suscettibilità genetica degli ovini alle EST: il PMCA come alternativa agli studi di trasmissione in vivo

Le encefalopatie spongiformi trasmissibili (EST), o malattie da prioni, sono malattie neurodegenerative che colpiscono l'uomo e gli animali. Le più note tra le EST animali sono la scrapie della pecora e della capra, l’encefalopatia spongiforme bovina (BSE), la Sindrome del dimagrimento cronico (CWD) dei cervidi. Negli uomini ricordiamo la malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD) nelle sue diverse forme (sporadica, genetica, iatrogenica e variante). La dimostrazione che la variante della CJD (vCJD) sia causata dallo stesso agente eziologico della BSE, ha evidenziato il potenziale zoonotico di queste malattie. Le EST sono caratterizzate da tempi di incubazione estremamente lunghi ed esito invariabilmente fatale. Il momento patogenetico centrale comune a tutte queste malattie è rappresentato dalla modificazione conformazionale di una proteina cellulare denominata PrPC (proteina prionica cellulare) in una isoforma patologica denominata PrPSc, insolubile e caratterizzata da una parziale resistenza alle proteasi, che tende a depositarsi sotto forma di fibrille amiloidee nel SNC dei soggetti colpiti. La suscettibilità degli ovini alla scrapie è largamente influenzata dal genotipo del gene dell’ospite che codifica per la PrP (PRNP), e più precisamente da tre polimorfismi presenti ai codoni 136, 154 e 171. Questi si combinano in cinque principali alleli, ARQ, VRQ, AHQ, ARH e ARR, correlati a differenti gradi di suscettibilità alla malattia. Risultati ottenuti da un precedente studio d’infezione sperimentale di ovini di razza Sarda con scrapie classica (Vaccari G et al 2007), hanno suggeriscono l’ordine di suscettibilità ARQ>AHQ>ARH. L’allele ARR, è risultato invece associato ai più alti livelli di protezione dalla malattia. Dallo stesso studio di trasmissione sperimentale e da uno studio epidemiologico di tipo caso-controllo, è inoltre emerso che nella razza Sarda, ovini con l’allele ARQ, con sostituzione amminoacidica al codone 137 Metionina (M)/Treonina (T) (AT137RQ) o al 176 Asparagina (N)/Lisina (K) (ARQK176) in eterozigosi sono protetti dalla scrapie. Inoltre studi di trasmissione sperimentale della BSE in ovini della stessa razza con tre differenti genotipi (ARQ/ARQ, ARQ/ARR e ARR/ARR), hanno dimostrato come la BSE abbia un targeting genetico molto simile a quello della scrapie, evidenziando il genotipo ARQ/ARQ come il più suscettibile. L’obbiettivo della seguente tesi è stato quello di verificare se fosse possibile riprodurre in vitro la differente suscettibilità genetica degli ovini alle EST evidenziata in vivo, utilizzando il PMCA (Protein Misfolding Cyclic Amplification), la metodica ad oggi più promettente e di cui è stata dimostrata la capacità di riprodurre in vitro diverse proprietà biologiche dei prioni. La tecnica, attraverso cicli ripetuti di sonicazione/incubazione, permette la conversione in vitro della PrPC presente in un omogenato cerebrale (substrato), da parte di una quantità minima di PrPSc (inoculo) che funge da “innesco” della reazione. Si è voluto inoltre utilizzare il PMCA per indagare il livello di protezione in omozigosi di alleli rari per i quali, in vivo, si avevano evidenze di protezione dalla scrapie solo in eterozigosi, e per studiare la suscettibilità degli ovini alla BSE adattata in questa specie. È stata quindi testata in PMCA la capacità diversi substrati ovini recanti differenti genotipi, di amplificare la PrPSc dello stesso isolato di scrapie classica impiegato nel precedente studio in vivo o di un inoculo di BSE bovina. Inoltre sono stati saggiati in vitro due inoculi di BSE costituiti da omogenato cerebrale di due ovini sperimentalmente infettati con BSE (BSE ovina) e recanti due differenti genotipi (ARQ/ARQ e ARR/ARR). Per poter descrivere quantitativamente il grado di correlazione osservato i risultati ottenuti in vitro e i quelli riscontrati dallo studio di sperimentazione con scrapie, espressi rispettivamente come fattori di amplificazione e tempi d’incubazione registrati in vivo, sono stati analizzati con un modello di regressione lineare. Per quanto riguarda la scrapie, i risultati ottenuti hanno evidenziato come i genotipi associati in vivo a suscettibilità (ARQ/ARQ, ARQ/AHQ and AHQ/ARH) siano anche quelli in grado di sostenere in PMCA l’amplificazione della PrPSc, e come quelli associati a resistenza (ARQ/ARR and ARR/ARR) non mostrino invece nessuna capacità di conversione. Dall’analisi di regressione lineare è inoltre emerso come l’efficienza di amplificazione in vitro dei differenti genotipi testati sia inversamente proporzionale ai tempi d’incubazione registrati in vivo. Inoltre nessuna amplificazione è stata riscontrata utilizzando il substrato con genotipo raro ARQK176/ARQK176 suggerendo come anche questo possa essere associato a resistenza, almeno nei confronti dell’isolato di scrapie classica utilizzato. Utilizzando come inoculo in PMCA l’isolato di BSE bovina, è stato possibile riscontrare, nei tre genotipi analizzati (ARQ/ARQ, ARQ/ARR e ARR/ARR) un evidente amplificazione per il solo genotipo ARQ/ARQ, sottolineando anche in questo caso l’esistenza di una correlazione tra suscettibilità riscontrata in vivo e capacità di conversione in PMCA. I tre i substrati analizzati mostrano inoltre una buona efficienza di amplificazione, per altro simile, se si utilizza la PrPSc dell’inoculo di BSE sperimentalemente trasmessa agli ovini. Questi genotipi sembrerebbero dunque ugualmente suscettibili se esposti a BSE adattata alla specie ovina. I risultati di questa tesi indicano dunque una correlazione diretta tra la capacità di conversione della PrPC con il PMCA e la suscettibilità osservata in vivo per i differenti genotipi analizzati. Mostrano inoltre come il PMCA possa essere una valida alternativa agli studi di trasmissione in vivo e un rapido strumento utile non soltanto per testare, ma anche per predire la suscettibilità genetica degli ovini a diversi ceppi di EST, rappresentando un valido aiuto per l’individuazione di ulteriori genotipi resistenti, così da incrementare la variabilità genetica dei piani di selezione attuati per gli ovini per il controllo di queste malattie.

Genetic Manipulation, Gene Silencing and Biomarker Development in Multiple Experimental Models.

The thesis is set in three different parts, according to the relative experimental models. First, the domestic pig (Sus scrofa) is part of the study on reproductive biotechnologies: the transgenesis technique of Sperm Mediated Gene Transfer is widely studied starting from the quality of the semen, through the study of multiple uptakes of exogenous DNA and lastly used in the production of multi-transgenic blastocysts. Finally we managed to couple the transgenesis pipeline with sperm sorting and therefore produced transgenic embryos of predetermined sex. In the second part of the thesis the attention is on the fruit fly (Drosophila melanogaster) and on its derived cell line: the S2 cells. The in vitro and in vivo models are used to develop and validate an efficient way to knock down the myc gene. First an efficient in vitro protocol is described, than we demonstrate how the decrease in myc transcript remarkably affects the ribosome biogenesis through the study of Polysome gradients, rRNA content and qPCR. In vivo we identified two optimal drivers for the conditional silencing of myc, once the flies are fed with RU486: the first one is throughout the whole body (Tubulin), while the second is a head fat body driver (S32). With these results we present a very efficient model to study the role of myc in multiple aspects of translation. In the third and last part, the focus is on human derived lung fibroblasts (hLF-1), mouse tail fibroblasts and mouse tissues. We developed an efficient assay to quantify the total protein content of the nucleus on a single cell level via fluorescence. We coupled the protocol with classical immunofluorescence so to have at the same time general and particular information, demonstrating that during senescence nuclear proteins increase by 1.8 fold either in human cells, mouse cells and mouse tissues.

Virus a RNA e a DNA: importanza dell’ampliamento dello spettro d’ospite nell’evoluzione virale

L’ampliamento dello spettro d’ospite è strettamente connesso al processo evolutivo a cui i virus sono assoggettati e rappresenta una notevole sfida alla loro capacità di adattarsi. L’attitudine a superare le barriere di specie è conseguente alla costante e relativamente rapida evoluzione che caratterizza i virus; allo stesso tempo, la forza selettiva esercitata dal nuovo ospite rappresenterà un ulteriore stimolo per le capacità adattative del virus. Ad oggi, i meccanismi genetici ed evolutivi responsabili del salto di specie virale, cioè la trasmissione di un virus da un ospite tradizionale ad uno precedentemente resistente all’infezione, sono parzialmente sconosciuti. Nel seguente lavoro verranno presentati gli studi effettuati sulle dinamiche evolutive caratterizzanti virus a RNA e a DNA in cui si sono osservate variazioni dello spettro d’ospite. Gli studi hanno riguardato i coronavirus, con particolare riferimento al ruolo svolto dai pipistrelli nell’evoluzione dei coronavirus SARS-correlati, e l’importanza del gatto nell’evoluzione dei parvovirus dei carnivori. Nella prima sezione saranno mostrate le correlazioni genetiche dei coronavirus identificati in Italia nei pipistrelli appartenenti alla specie Rhinolophus ferrumequinum con i ceppi europei e del resto del mondo, allo scopo di chiarire l’origine evolutiva dei coronavirus dei pipistrelli correlati al virus della SARS (Bat-SARS-like CoV) europei, gli eventi migratori che hanno caratterizzato la loro diffusione nel continente e le potenziali ripercussioni sulla salute pubblica. Nella seconda sezione saranno evidenziate le caratteristiche molecolari dei ceppi di parvovirus circolanti nella popolazione felina, valutandone la diversità di sequenza e la complessità genetica, allo scopo di ottenere importanti informazioni in merito all’evoluzione del virus e alle interazioni tra il parvovirus e l’ospite.

Conservazione del seme sortato di suino

Gli spermatozoi di suino sottoposti alla procedura di sessaggio mediante citofluorimetria presentano una serie di modificazioni morfo-funzionali che compromettono nel tempo la loro sopravvivenza e la capacità fecondante. Questi spermatozoi, inoltre, a causa della sensibilità ai danni indotti dalla crioconservazione, vengono solitamente conservati allo stato liquido a 15-17°C, con conseguente ulteriore peggioramento nel tempo della qualità delle cellule spermatiche sessate. Lo scopo della ricerca è stato quello di valutare le modificazioni di alcune caratteristiche morfo-funzionali degli spermatozoi in seguito a sex-sorting e conseguente conservazione. Successivamente si è cercato di migliorare i parametri qualitativi del seme sessato mediante l’aggiunta di sostanze antiossidanti e la messa a punto di una nuova metodica di conservazione. I risultati ottenuti hanno evidenziato che la procedura di sessaggio e la conseguente conservazione per 24-26 ore a 15°C hanno indotto un peggioramento significativo delle caratteristiche morfo-funzionali (vitalità, integrità acrosomiale, quantità e distribuzione dell’Hsp70, capacità fecondante). Mentre l’azione degli antiossidanti non si è rivelata efficace nel miglioramento della qualità degli spermatozoi durante le fasi di colorazione e passaggio attraverso il citofluorimetro, l’azione congiunta del plasma seminale e degli antiossidanti superossido-dismutasi ed epigallocatechina-3-gallato ha indotto un miglioramento significativo della vitalità degli spermatozoi. Per la conservazione del seme di suino è stata testata la tecnica di incapsulazione in membrane di alginato di bario che permette, durante l’inseminazione artificiale, un rilascio graduale degli spermatozoi e l’utilizzo di un quantitativo inferiore di materiale seminale. L’applicazione di tale tecnica per la conservazione degli spermatozoi di suino sessati non sembra provocare un calo significativo della vitalità, dell’integrità acrosomiale e dell’efficienza totale di fecondazione rispetto al seme sortato e conservato diluito suggerendo futuri studi in vivo. Una migliore conoscenza dei danni indotti da queste tecnologie e la loro minimizzazione potrà stimolare in futuro l’utilizzo su vasta scala del seme sessato nel suino.

Ruolo del Porcine Circovirus tipo 2 (PCV2) nella patologia riproduttiva del suino

La tesi è organizzata in 4 capitoli: -nel primo vengono brevemente riferite le patologie associate all’infezione da PCV2 con particolare riferimento all’iter diagnostico ed al ruolo rivestito dall’esame istologico e dalla identificazione dell’agente eziologico in situ contestualmente alle lesioni istologiche; -nel secondo viene presentato un iter diagnostico originale da applicare in condizioni di campo, qualora si voglia accertare la presenza del PCV2 nei tessuti dei prodotti di natimortalità/aborto del suino. In specifico si riferisce all’applicazione del protocollo in 2 aziende ed i risultati vengono analizzati per una revisione critica del protocollo impiegato; -nel terzo vengono presentati i risultati di un protocollo di infezione con PCV2 per via genitale tramite seme infetto. Scrofe convenzionali sono state sincronizzate per l’estro e fecondate con un’unica dose di seme PCV2 negativo alla PCR (gruppo controlli) o sperimentalmente esposto al PCV2 (gruppo infette). I risultati vengono analizzati in funzione delle ripercussioni che l’infezione precoce in gravidanza può produrre sulla scrofa (mancata gravidanza, ritorno in calore), sui feti e sugli invogli fetali. Viene stabilito il ruolo protettivo degli anticorpi circolanti al momento dell’infezione, stante l’evenienza che un basso titolo anticorpale si associa a viremia prolungata e maggiore numero di feti positivi al virus; -nel quarto viene presentato un esperimento sovrapponibile a quello riferito nel capitolo 3, però con la presenza anche di un gruppo di soggetti convenzionali vaccinati ed infettati con PCV2 durante la fecondazione artificiale usando seme sperimentalmente esposto al virus. Nella discussione dei risultati vengono enfatizzati 2 aspetti importanti nell’epidemiologia dell’infezione da PCV2: la eliminazione di virus è fortemente ridotta dalla vaccinazione, con conseguenze verosimilmente positive sulla circolazione del virus negli effettivi dell’allevamento; l’esposizione uterina è protetta dalla vaccinazione, stante la bassa percentuale di placente infette nel gruppo dei soggetti vaccinati rispetto a quelli non vaccinati e nei controlli.

Il coniglio come modello sperimentale per lo studio degli effetti neurologici indotti da Cobalto

Sono stati studiati gli effetti tossici dell’esposizione cronica a cobalto e cromo. In passato, questa tossicità, che colpiva lavoratori esposti per ragioni occupazionali, è stata un problema molto sentito. Tuttavia, recenti pubblicazioni hanno descritto una specifica tossicità mediata da elevati livelli di cobalto e cromo, anche in pazienti portatori di protesi metalliche, quali gli impianti d’anca. Anche se sintomi clinici tra cui, cecità, sordità e neuropatia periferica, suggeriscono uno specifico neurotropismo, ancora poco è conosciuto delle basi neuropatologiche di questo processo ed oltretutto non ne è ancora stata apportata un’evidenza sperimentale. In questo progetto di ricerca, quindi, si è voluto approfondire il meccanismo patogenetico da cui scaturiscono tali sintomi neurologici, utilizzando come modello sperimentale il coniglio. Conigli New Zealand White sono stati trattati con dosi endovenose ripetute di cobalto e cromo, inoculati singolarmente od in associazione tra loro. Nessuna evidente alterazione clinica o patologica è stata associata alla somministrazione di solo cromo, nonostante gli elevati livelli in sangue e tessuti, mentre i trattati con cobalto-cromo o solo cobalto hanno mostrato segni clinici gravanti sul sistema vestibolo-cocleare; il cobalto, quindi, è stato identificato come il maggiore elemento scatenante neurotossicità. Inoltre all’esame istopatologico gli animali hanno mostrato severa deplezione delle cellule gangliari retiniche e cocleari, assieme a danno al nervo ottico e perdita di cellule sensitive capellute dell’orecchio. È risultato infine evidente che la gravità delle alterazioni è stata correlata al dosaggio ed al tempo di esposizione; dati questi che confermano, quindi, le precedenti osservazioni fatte su pazienti umani esposti a rilascio abnorme di cobalto e cromo da usura di protesi d’anca. È stato ipotizzato che il cobalto agisca sui mitocondri provocando l’incremento di produzione di specie reattive dell’ossigeno e il rilascio di fattori proapoptotici, causando sulle cellule neuronali un danno proporzionale al loro fabbisogno energetico e grado di mielinizzazione.

Perfluoroalkylated substances in food matrices: development of mass spectrometry based analytical methods and preliminary monitoring

Perfluoroalkylated substances are a group of chemicals that have been largely employed during the last 60 years in several applications, widely spreading and accumulating in the environment due to their extreme resistance to degradation. As a consequence, they have been found also in various types of food as well as in drinking water, proving that they can easily reach humans through the diet. The available information concerning their adverse effects on health has recently increased the interest towards these contaminants and highlighted the importance of investigating all the potential sources of human exposure, among which diet was proved to be the most relevant. This need has been underlined by the European Union through Recommendation 2010/161/EU: in this document, Member States were called to monitor their presence of in food, producing accurate estimations of human exposure. The purpose of the research presented in this thesis, which is the result of a partnership between an Italian and a French laboratory, was to develop reliable tools for the analysis of these pollutants in food, to be used for generating data on potentially contaminated matrices. An efficient method based on liquid chromatography-mass spectrometry for the detection of 16 different perfluorinated compounds in milk has been validated in accordance with current European regulation guidelines (2002/657/EC) and is currently under evaluation for ISO 17025 accreditation. The proposed technique was applied to cow, powder and human breast milk samples from Italy and France to produce a preliminary monitoring on the presence of these contaminants. In accordance with the above mentioned European Recommendation, this project led also to the development of a promising technique for the quantification of some precursors of these substances in fish. This method showed extremely satisfying performances in terms of linearity and limits of detection, and will be useful for future surveys.