Noisy Oncology: applications of bounded noise transitions in modelling tumor growth

I tumori macroscopici e microscopici, dopo la loro prima fase di crescita, sono composti da un numero medio elevato di cellule. Così, in assenza di perturbazioni esterne, la loro crescita e i punti di equilibrio possono essere descritti da equazioni differenziali. Tuttavia, il tumore interagisce fortemente col macroambiente che lo circonda e di conseguenza una descrizione del tutto deterministica risulta a volte inappropriata. In questo caso si può considerare l'interazione con fluttuazioni statistiche, causate da disturbi esterni, utilizzando le equazioni differenziali stocastiche (SDE). Questo è vero in modo particolare quando si cerca di modellizzare tumori altamente immunogenici che interagiscono con il sistema immunitario, in quanto la complessità di questa interazione risulta in fenomeni di multistabilità. Così, il rumore può provocare disturbi e indurre transizioni di stato (Noise-Induced-Transitions). E' importante notare che una NIT può avere implicazioni profonde sulla vita di un paziente, dal momento che una transizione da uno stato di equilibrio piccolo, nelle dimensioni del tumore, ad uno stato di equilibrio macroscopico, nella maggior parte dei casi significa il passaggio dalla vita alla morte. Generalmente l'approccio standard è quello di modellizzare le fluttuazioni stocastiche dei parametri per mezzo di rumore gaussiano bianco o colorato. In alcuni casi però questa procedura è altamente inadeguata, a causa della illimitatezza intrinseca dei rumori gaussiani che può portare a gravi incongruenze biologiche: pertanto devono essere utilizzati dei rumori "limitati", che, tuttavia, sono molto meno studiati di quelli gaussiani. Inoltre, l'insorgenza di NIT dipende dal tipo di rumore scelto, che rivela un nuovo livello di complessità in biologia. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare le applicazioni di due tipi diversi di "rumori limitati" nelle transizioni indotte in due casi: interazione tra tumore e sistema immunitario e chemioterapia dei tumori. Nel primo caso, abbiamo anche introdotto un nuovo modello matematico di terapia, che estende, in modo nuovo, il noto modello di Norton-Simon.

Effetti clinici e biologici della terapia epigenetica nelle sindromi mielodisplastiche a basso rischio

Background: Nucleoside 5-Azacitidine (5-Aza) in high risk MDS patients (pts) at a dose of 75mg/mq/day subcutaneously for 7 days, every 28 days, induces high hematologic response rates (hematologic improvement (HI) 50-60%, complete remission (CR) 10-30%) and prolongation of survival (at 2 years 50,8%). Aim: The role of 5-Aza in low-risk MDS patients is not well defined but its use in the earlier phases of disease could be more effective and useful to control the expansion of MDS clone and disease progression. In our phase II, prospective, multicentric trial a low-dose schedule of 5-Aza (75 mg/mq daily for 5 consecutive days every 28 days) was given to low-risk MDS pts in order to evaluate its efficacy and tolerability and to identify biological markers to predict the response. Methods: From September 2008 to February 2010, 34 patients were enrolled into the study. Fifteen patients had refractory anemia (RA), 5 patients refractory anemia with ringed sideroblasts (RARS), 7 patients refractory cytopenia with multilineage dysplasia (RCMD) and 7 patients refractory anemia with excess blasts-1 (RAEB-1). All patients failed previously EPO therapy and were in chronic red blood cell (RBC) supportive care with a median transfusions requirement of 4 units/monthly. The response treatment criteria was according to IWG 2006. Results: At present time 31 out of 34 pts are evaluable: 12/31 pts (39%) completed the treatment plan (8 courses), 7/31 pts (22%) performed the first 4 courses, 8/31 (26%) made 1 to 3 courses and 4/31 (13%) died during the treatment period. Out of 12 pts who completed the 8 courses of therapy 10 (83%) obtained an HI, 2/12 (17%) maintained a stable disease. Out of 10 pts who obtained HI, 4 pts (40%) achieved a CR. Generally the drug was very well tolerated. The most commonly reported hematologic toxicities were neutropenia (55%) and thrombocytopenia (19%) but they were transitory and usually no delay of treatment was necessary. 2/4 pts died early after the 1th cycle for septic shock and gastrointestinal hemorrage respectively whereas 2/4 pts died in a condition of stable disease after the 4th cycle for pneumonia and respiratory distress. Samples for biologic studies have been collected from the pts before starting the therapy and at the end of 4th and 8th course. Preliminary data on the lipid signalling pathways suggested a direct correlation between PI-PLC-β1 gene expression and 5-Aza responsiveness. Conclusion: Interim analysis of our study based on the small number of cases who completed the treatment program, shows that 83% of pts obtain an HI and 40% obtain a CR. 4 patients died during the treatment and even if the causes were reported as no related to the therapy it has been considered that caution has to be reserved in given 5-Aza in these pts who are elderly and frail. Preliminary data of PI-PLC-β1 gene expression suggest that this and probably other biological markers could help us to know a priori who are the patients who have more chances to respond.

Imaging di risonanza magnetica nucleare nello studio del tumore della prostata

Aim of the present study was to evaluate the accuracy of transrectal ultrasound biopsy (TRUS-biopsy) directed to regions with abnormal MRI and/or MRSI (magnetic resonance spectroscopic imaging ) for both the transition (TZ) and the peripheral (PZ) zones in patients who presented with persistent suspect for prostate cancer and with prior negative biopsy. We also evaluated relationship between MRSI results and histopathological findings of biopsy. 54 patients with the aforementioned characteristics underwent MRI/MRSI at least 6 months after prior negative biopsy; interval between MRI/3D-MRSI and the further TRUS-biopsy was less than 3 months. The prostate was divided in 12 regions both for imaging interpretation and biopsy. Moreover one to three cores more were taken from each region with abnormal MRI and/or 3D-MRSI. Twenty-two out of 54 patients presented cancer at MRI/MRSI-directed-TRUS-biopsy. On a patient basis the highest accuracy was obtained by assigning malignancy on a positive finding with MRSI and MRI even though it was not significantly greater than that obtained using MRI alone (area under the ROC curve, AUC: 0.723 vs. 0.676). On a region (n=648) basis the best accuracy was also obtained by considering positive both MRSI and MRI for PZ (0.768) and TZ (0.822). Twenty-eight per cent of cores with prostatitis were false positive findings on MRSI, whereas only 2.7% of benign prostatic hyperplasia was false positive. In conclusion the accuracy of MRI/MRSI-directed biopsies in localization of prostate cancer is good in patient and region analyses. The combination of both MRI and MRSI results makes TRUS-biopsy more accurate particularly in the TZ (0.822) for patients with prior negative biopsies. Histopathological analysis showed that the main limitation of MRSI is the percentage of false positive findings due to prostatitis.

Messa a punto di sistemi per il controllo e la terapia delle malattie virali

A livello globale una delle problematiche più urgenti della sanità pubblica umana e veterinaria è rappresentata dal controllo delle infezioni virali. L’emergenza di nuove malattie, la veloce diffusione di patologie finora confinate ad alcune aree geografiche, lo sviluppo di resistenza dei patogeni alle terapie utilizzate e la mancanza di nuove molecole attive, sono gli aspetti che influiscono più negativamente livello socio-economico in tutto il mondo. Misure per limitare la diffusione delle infezioni virali prevedono strategie per prevenire e controllare le infezioni in soggetti a rischio . Lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare il possibile utilizzo di prototipi virali utilizzati come modello di virus umani per valutare l’efficacia di due diversi metodi di controllo delle malattie virali: la rimozione mediante filtrazione di substrati liquidi e gli antivirali di sintesi e di origine naturale. Per quanto riguarda la rimozione di agenti virali da substrati liquidi, questa è considerata come requisito essenziale per garantire la sicurezza microbiologica non solo di acqua ad uso alimentare , ma anche dei prodotti utilizzati a scopo farmaceutico e medico. Le Autorità competenti quali WHO ed EMEA hanno redatto delle linee guida molto restrittive su qualità e sicurezza microbiologica dei prodotti biologici per garantire la rimozione di agenti virali che possono essere trasmessi con prodotti utilizzati a scopo terapeutico. Nell'industria biomedicale e farmaceutica c'è l'esigenza di una tecnologia che permetta la rimozione dei virus velocemente, in grande quantità, a costi contenuti, senza alterare le caratteristiche del prodotto finale . La collaborazione con l’azienda GVS (Zola Predosa, Italia) ha avuto come obiettivo lo studio di una tecnologia di filtrazione che permette la rimozione dei virus tramite membrane innovative e/o tessuti-non-tessuti funzionalizzati che sfruttano l’attrazione elettrostatica per ritenere ed asportare i virus contenuti in matrici liquide. Anche gli antivirali possono essere considerati validi mezzi per il controllo delle malattie infettive degli animali e nell’uomo quando la vaccinazione non è realizzabile come ad esempio in caso di scoppio improvviso di un focolaio o di un attacco bioterroristico. La scoperta degli antivirali è relativamente recente ed il loro utilizzo è attualmente limitato alla patologia umana, ma è in costante aumento l’interesse per questo gruppo di farmaci. Negli ultimi decenni si è evidenziata una crescente necessità di mettere a punto farmaci ad azione antivirale in grado di curare malattie ad alta letalità con elevato impatto socio-economico, per le quali non esiste ancora un’efficace profilassi vaccinale. Un interesse sempre maggiore viene rivolto agli animali e alle loro patologie spontanee, come modello di studio di analoghe malattie dell’uomo. L’utilizzo di farmaci ad azione antivirale in medicina veterinaria potrebbe contribuire a ridurre l’impatto economico delle malattie limitando, nel contempo, la disseminazione dei patogeni nell’ambiente e, di conseguenza, il rischio sanitario per altri animali e per l’uomo in caso di zoonosi. Le piante sono sempre state utilizzate dall’industria farmaceutica per l’isolamento dei composti attivi e circa il 40% dei farmaci moderni contengono principi d’origine naturale. Alla luce delle recenti emergenze sanitarie, i fitofarmaci sono stati considerati come una valida per migliorare la salute degli animali e la qualità dei prodotti da essi derivati. L’obiettivo del nostro studio è stato indagare l’attività antivirale in vitro di estratti naturali e di molecole di sintesi nei confronti di virus a RNA usando come prototipo il Canine Distemper Virus, modello di studio per virus a RNA a polarità negativa, filogeneticamente correlato al virus del morbillo umano. La scelta di questo virus è dipesa dal fatto che rispetto ai virus a DNA e ai retrovirus attualmente l’offerta di farmaci capaci di contrastare le infezioni da virus a RNA è molto limitata e legata a molecole datate con alti livelli di tossicità. Tra le infezioni emergenti causate da virus a RNA sono sicuramente da menzionare quelle provocate da arbovirus. Le encefaliti virali da arbovirus rappresentano una emergenza a livello globale ed attualmente non esiste una terapia specifica. Una delle molecole più promettenti in vitro per la terapia delle infezioni da arbovirus è la ribavirina (RBV) che, con il suo meccanismo d’azione pleiotropico, si presta ad essere ulteriormente studiata in vivo per la sua attività antivirale nei confronti delle infezioni da arbovirus. Uno dei fattori limitanti l’utilizzo in vivo di questa molecola è l’incapacità della molecola di oltrepassare la barriera emato-encefalica. Nel nostro studio abbiamo messo a punto una formulazione per la somministrazione endonasale di RBV e ne abbiamo indagato la diffusione dalla cavità nasale all’encefalo attraverso l’identificazione e quantificazione della molecola antivirale nei diversi comparti cerebrali . Infine è stato condotto un esperimento in vivo per valutare l’efficacia di un composto a base di semi di Neem, di cui sono già note le proprietà antimicrobiche, nei confronti dell’infezione da orf virus, una zoonosi a diffusione mondiale, che ha un elevato impatto economico in aree ad alta densità ovi-caprina e può provocare lesioni invalidanti anche nell’uomo.

Impiego di cellule staminali in terapia veterinaria

Over the past few years, in veterinary medicine there has been an increased interest in understanding the biology of mesenchymal stem cells (MSCs). This interest comes from their potential clinical use especially in wound repair, tissue engineering and application in therapeutics fields, including regenerative surgery. MSCs can be isolated directly from bone marrow aspirates, adipose tissue, umbilical cord and various foetal tissues. In this study, mesenchymal stem cells were isolated from equine bone marrow, adipose tissue, cord blood, Wharton’s Jelly and, for the first time, amniotic fluid. All these cell lines underwent in vitro differentiation in chondrocytes, osteocytes and adipocytes. After molecular characterization, cells resulted positive for mesenchymal markers such as CD90, CD105, CD44 and negative for CD45, CD14, CD34 and CD73. Adipose tissue and bone marrow mesenchymal stem cells were successfully applied in the treatment of tendinitis in race horses. Furthermore, for the first time in the horse, skin wounds of septicemic foal, were treated applying amniotic stem cells. Finally, results never reported have been obtained in the present study, isolating mesenchymal stem cells from domestic cat foetal fluid and membranes. All cell lines underwent in vitro differentiation and expressed mesenchymal molecular markers.

Effetti termoregolatori ed ipnici indotti dalla stimolazione farmacologica del bulbo rostroventro mediale nel ratto

Recentemente è stato proposto che i premotoneuroni simpatici deputati al controllo della vasomozione cutanea siano localizzati nel bulbo rostoventromediale, una area che è delimitata rostralmente dal nucleo del nervo faciale (RVMM(io)) e causalmente dal polo rostrale del nucleo olivare inferiore (RVMM(io)). Per esplorare il ruolo che in neuroni contenuti nel RVMM(io) e nel (RVMM(fn) hanno nel controllare la vasomozione periferica, sono state effettuate in ciascuna delle due aree microiniezioni dell’agonista dei recettori GABAA muscimolo, dell’antagonista dei recettori GABAA bicucullina metiodide e di veicolo. La somministrazione di mucimolo induce una massiva vasodilatazione periferica sia se iniettato in RVMM(io) che in RVMM(fn). La disinibizione dei neuroni del RVMM(fn) produce invece una importate vasocostrizione periferica, antagonizzando la vasodilatazione indotta dall’esposizione ad alte temperature ambientali, mentre la disinibizione dei neuroni del RVMM(io) produce una vasodilatazione massimale, che è in grado di antagonizzare anche la vasocostrizione indotta da esposizione a bassa temperatura ambientale. L’inibizione sia dei neuroni del RVMM(io) che del RVMM(fn) induce inoltre modificazioni elettroencefalografiche e ipniche comparabili con quelle osservate durante il torpore. La somministrazione di muscimolo ha prodotto una rapida vasodilatazione periferica, seguita da una profonda ipotermia a da uno spostamento verso sinistra della banda Theta dell’EEG. Durante il periodo di ipotermia, la comparsa sia di sonno NREM che di sonno REM è risultata essere inibita. Questi dati mostrano che: a) a due popolazioni di premotoneuroni simpatici sono localizzati nella regione che va dal RVMM(io) al RVMM(fn), una termoregolatoria, tonicamente attiva e vasocostrittoria, l’altra non termoregolatoria, tonicamente inibita e vasodilatatoria; b) anche in una specie che non è va spontaneamente incontro a torpore, l’ipotermia centrale produce effetti elettroencefalografici simili a quelli osservati durante il torpore.

Applicazione della neurodiagnostica avanzata allo studio dei disturbi psicologici nelle malattie infiammatorie croniche intestinali

Background and aim Ulcerative Colitis (UC) and Crohn’s Disease (CD), collectively labelled as inflammatory bowel disease (IBD), are idiopathic, chronic inflammatory disorder of the bowel with a remitting and relapsing course. IBD are associated to poor emotional functioning and psychological distress. We have investigated the brain involvement in patients with IBD using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Materials and methods We developed an emotional visual task to investigate the emotional functioning in 10 UC patients and 10 healthy controls (HC). Furthermore, we have compared the brain stress response between a group of 20 CD patients and a group of 18 HC. Finally, we evaluated potential morphological differences between 18 CD patients and 18 HC in a voxel based morphometry (VBM) study. Results We found brain functional changes in UC patients characterized by decreased activity in the amygdala in response to positive emotional stimuli. Moreover, in CD patients, the brain stress response and habituation to stressful stimuli were significantly different in the medial temporal lobe (including the amygdala and hippocampus), the insula and cerebellum. Finally, in CD patients there were morphological abnormalities in the anterior mid cingulated cortex (aMCC). Conclusion IBD are associated to functional and morphological brain abnormalities. The previous intestinal inflammatory activity in IBD patients might have contributed to determine the functional and morphological changes we found. On the other hand, the dysfunctions of the brain structures we found may influence the course of the disease. Our findings might have clinical implications. The differences in the emotional processing may play a role in the development of psychological disorders in UC patients. Furthermore, in CD patients, the different habituation to stress might contribute to stress related inflammatory exacerbations. Finally, the structural changes in the aMCC might be involved in the pain symptoms associated to the bowel disorder.