Computational Modeling of Cardiac Excitation-Contraction Coupling in Physiological and Pathological Conditions

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis.

Un approccio filosofico ai modelli matematici del cuore

La tesi tratta di come Noble giunse alla formulazione del modello matematico del cuore, a partire da quello degli impulsi nervosi ideato da Hodgkin e Huxley e di come in seguito arrivò a perfezionarlo grazie ad una sempre maggiore adesione alla biologia dei sistemi integrati, al punto che esso venne poi utilizzato per creare il primo "Cuore Virtuale". Si pone inoltre una particolare attenzione al modo in cui il pensiero di Noble cambiò nel corso dei suoi studi, così da permettergli la formulazione di spiegazioni corrette, relative ai fenomeni osservati.

Clustering di ammassi di galassie con cataloghi otticamente selezionati

In questo lavoro di tesi si è studiato il clustering degli ammassi di galassie e la determinazione della posizione del picco BAO per ottenere vincoli sui parametri cosmologici. A tale scopo si è implementato un codice per la stima dell'errore tramite i metodi di jackknife e bootstrap. La misura del picco BAO confrontata con i modelli cosmologici, grazie all'errore stimato molto piccolo, è risultato in accordo con il modelli LambdaCDM, e permette di ottenere vincoli su alcuni parametri dei modelli cosmologici.

I rapporti tra contratti collettivi di diverso livello nel settore privato

L’elaborato esamina il tema del concorso e del conflitto tra contratti collettivi di diverso livello nel settore privato. Partendo da un’impostazione complessiva del fenomeno della contrattazione collettiva, oltre che da una riflessione sulla natura e sul ruolo della contrattazione integrativa, il lavoro si propone di individuare un criterio di risoluzione del conflitto. In una prima parte della ricerca sono stati individuati e studiati i modelli di rapporti tra livelli definiti negli accordi interconfederali e nei contratti di categoria. Nello studio della regolamentazione interna al sistema sindacale si è considerato la natura delle relative clausole. Queste ultime hanno valenza obbligatoria e, per tale motivo, non sono idonee a risolvere l’eventuale conflitto tra livelli contrattuali. Si è reso quindi necessario considerare i criteri esterni di risoluzione del conflitto elaborati dalla dottrina e della giurisprudenza. Tra i vari criteri elaborati, ci si è soffermati sul criterio di specialità, sulla sua natura e sulla sua funzione. Più nello specifico, si è ritenuto il principio di specialità un principio generale dell’ordinamento giuridico, applicabile anche al conflitto tra contratti di diverso livello. Alla luce del principio di specialità, si è ricostruito il rapporto tra livelli, anche in ipotesi di contrattazione separata e di negoziazione operante su rinvio legislativo. Infine, nell’ultimo capitolo si è esaminato l’art. 8 della L. 148/2011. Ci si è interrogati sulla compatibilità di tale norma con l’impostazione complessiva del tema del rapporto tra contratti di diverso livello e sui suoi riflessi sulla questione del conflitto.

Valutazione della qualità ed autenticità di prodotti oleari e lattiero caseari mediante metodi fisici di analisi accoppiati a tecniche statistiche multivariate

Questa tesi descrive alcuni studi di messa a punto di metodi di analisi fisici accoppiati con tecniche statistiche multivariate per valutare la qualità e l’autenticità di oli vegetali e prodotti caseari. L’applicazione di strumenti fisici permette di abbattere i costi ed i tempi necessari per le analisi classiche ed allo stesso tempo può fornire un insieme diverso di informazioni che possono riguardare tanto la qualità come l’autenticità di prodotti. Per il buon funzionamento di tali metodi è necessaria la costruzione di modelli statistici robusti che utilizzino set di dati correttamente raccolti e rappresentativi del campo di applicazione. In questo lavoro di tesi sono stati analizzati oli vegetali e alcune tipologie di formaggi (in particolare pecorini per due lavori di ricerca e Parmigiano-Reggiano per un altro). Sono stati utilizzati diversi strumenti di analisi (metodi fisici), in particolare la spettroscopia, l’analisi termica differenziale, il naso elettronico, oltre a metodiche separative tradizionali. I dati ottenuti dalle analisi sono stati trattati mediante diverse tecniche statistiche, soprattutto: minimi quadrati parziali; regressione lineare multipla ed analisi discriminante lineare.

Studio degli effetti funzionali e tossici di derivati di Brassicaceae in modelli sperimentali

I vegetali appartenenti alla famiglia delle Brassicaceae, sono ricchi di molecole biologicamente attive note per le numerose proprietà salutari. L’effetto di un estratto di germogli di cavolo nero toscano (TBCSE) è stato investigato, in termini chemiopreventivi, sugli enzimi epatici del metabolismo degli xenobiotici e antiossidanti, in ratti trattati con TBCSE. I risultati hanno mostrato un complesso pattern di modulazione, con una prevalente inibizione, del sistema citocromo P450-dipendente, e induzioni significative degli enzimi di fase II (glutatione transferasi e glucuronosiltransferasi) e antiossidanti (catalasi, NAD(P)H:chinone reduttasi, glutatione reduttasi e perossidasi). Successivamente, l’effetto di TBCSE è stato studiato nei confronti delle alterazioni provocate da un’alimentazione iperlipidica nel ratto. Il trattamento si è dimostrato efficace nel contrastare gli effetti deleteri dei grassi presenti nella dieta, come l’iperlipidemia, l’aumento del peso corporeo e del fegato, l’indebolimento delle attività degli enzimi antiossidanti e del potenziale detossificante a livello epatico. Complessivamente, TBCSE emerge essere un promettente prodotto nutraceutico con potenziali effetti chemiopreventivi, e da impiegare come strategia alimentare per contrastare gli effetti correlati ad una dieta iperlipidica. Il consumo di dosi sovralimentari di molecole isolate dalle Brassicaceae, tramite per esempio integratori dietetici, come strategia alimentare preventiva, potrebbe tuttavia rappresentare un rischio per la salute. La potenziale tossicità del sulforafane, glucorafanina, indolo-3-carbinolo, e 3,3'-diindolimetano, è stata valutata in epatociti primari di ratto. La citotossicità e l’induzione di stress ossidativo, osservate a concentrazioni non lontane da quelle che potrebbero essere raggiunte in vivo, insieme ad una forte modulazione dell’espressione genica, riguardante principalmente il metabolismo degli xenobiotici, risposte ad alterazioni dello stato ossidoredutivo, eventi di riparazione del DNA e di proteine, induzione dell’apoptosi, e meccanismi (co)cancerogeni, sottolineano la potenzialità di queste molecole di determinare un rischio tossicologico, in seguito ad un’assunzione prolungata e ad alte dosi.

Studio per la gestione ottimizzata di una flotta omogenea di rotabili ferroviari per i servizi metropolitani del bacino di bologna

Nel corso degli ultimi anni è nata a Bologna l’idea di un Servizio Ferroviario Metropolitano (SFM),il quale si inserisce in un progetto di riassetto del servizio ferroviario regionale dell’Emilia – Romagna che prevede il potenziamento dei collegamenti ferroviari all’interno del bacino Bolognese. Il lavoro di tesi ha lo scopo di fornire una possibile gestione ottimizzata del materiale rotabile, attraverso la determinazione di una flotta omogenea che verrà impiegata all’interno del Servizio Ferroviario Metropolitano del bacino bolognese. Tale gestione ottimizzata prevederà l’impiego di un’unica tipologia di treni declinata in due versioni di diversa capacità in termini di posti a sedere.

Studio sulla vulnerabilità sismica dell'Istituto di Matematica a Bologna

Lo studio in esame si pone l'obiettivo di fornire dati sintetici ma rappresentativi del comportamento statico e sismico dell'Istituto di Matematica di Bologna (1965). Nella prima parte vengono descritte le fasi di conoscenza della geometria degli elementi e delle caratteristiche meccaniche dei materiali componenti la struttura in calcestruzzo armato. Nella seconda parte vengono descritte le verifiche condotte (SLE, SLU) e proposti i risultati sotto forma di istogrammi. Viene posta particolare attenzione alle verifiche sismiche allo SLV per le quali l' edificio mostra un comportamento critico.

Determinazione di radicali OH: sintesi di materiali per la modifica di elettrodi di platino e carbone vetroso

Questa tesi descrive lo sviluppo di un elettrodo modificato con un polimero isolante per la determinazione indiretta del radicale OH. I polimeri testati sono stati polifenolo, polipirrolo e polipirrolo sovraoossidato ed il primo è risultato quello con le migliori prestazioni. Il film di modificante è stato depositato per elettropolimerizzazione del fenolo in ambiente acido, su un elettrodo di carbone vetroso (GC) ed è risultato isolante e perfettamente adeso al GC, impedendo il trasferimento di carica alle più comuni sonde redox. L’attacco dei radicali OH, generati dalla reazione di Fenton o dalla fotolisi di H2O2, rimuove parzialmente il polimero dal GC, ripristinando parzialmente il comportamento conduttore dell’elettrodo. L’entità della degradazione del film polifenolico è stata valutata sfruttando la corrente relativa alla sonda redox Ru(NH3)63+, che rappresenta il segnale analitico per la determinazione del radicale OH. L’elettrodo è stato impiegato per stimare le prestazioni di foto catalizzatori a base di nanoparticelle di TiO2, ottenendo risultati correlati a quelli ricavati da un metodo HPLC. Inoltre esso è stato usato per sviluppare una nuova procedura per la determinazione della capacità di scavenging verso i radicali OH, che è stata applicata all’analisi di composti puri e campioni reali. I risultati erano confrontabili con quelli determinati con metodiche standardizzate, comunemente impiegate per la determinazione della capacità antiossidante. Inoltre è stato condotto uno studio riguardante la modifica di un elettrodo di platino con un idrossido misto a strati a base di cobalto e alluminio (LDH). In particolare si sono valutati gli effetti di diversi pretrattamenti del Pt sulle caratteristiche e prestazioni elettrocatalitiche del film di LDH nei confronti dell’ossidazione di anilina, fenolo e acido salicilico. Questi composti possono essere impiegati come molecole sonda per la determinazione del radicale OH e rivestono interesse da un punto di vista elettroanalitico perché portano facilmente alla passivazione della superficie di Pt.

Valutazione del ruolo dell'espressione di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di cellule di osteosarcoma ed MSCs

L’osteosarcoma (OS) è il tumore primitivo dell’osso più comune in età pediatrica e adolescenziale. L’OS è stato recentemente riconsiderato come una patologia da de-differenziamento, legata all’interruzione del processo cui vanno incontro i precursori osteoblastici, quali le cellule staminali mesenchimali (MSCs), per trasformarsi in osteoblasti maturi. Il sistema IGF è coinvolto nella regolazione della proliferazione e del differenziamento di cellule di OS. IRS-1 è un mediatore critico di tale via di segnalazione e il suo livello di espressione modula il differenziamento di cellule ematopoietiche. Lo scopo di questa tesi è stato quello di definire il ruolo di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di MSCs e cellule di OS. Il potenziale differenziativo di cellule di OS umano e murino e di MSCs derivate da midollo osseo è stato valutato tramite Alizarin Red staining e Real Time-PCR. Dai dati ottenuti è emerso come i livelli di espressione di IRS-1 diminuiscano durante il differenziamento osteoblastico. Conseguentemente, i livelli di espressione di IRS-1 sono stati manipolati utilizzando shRNA per down-regolare l’espressione della proteina o un plasmide per sovra-esprimerla. Sia la down-regolazione sia la sovra-espressione di IRS-1 hanno inibito il differenziamento osteoblastico delle linee cellulari considerate. Allo scopo di valutare il contributo di IRS-1 nella via di segnalazione di IGF-1R è stato utilizzato l’inibitore di tale recettore, αIR-3. Anche in questo caso è stata osservata una riduzione della capacità differenziativa. L’inibitore del proteasoma MG-132 ha portato ad un aumento dei livelli di IRS-1, portando nuovamente all’inibizione del differenziamento osteoblastico e suggerendo che l’ubiquitinazione di questa proteina potrebbe avere un ruolo importante nel mantenimento di appropriati livelli di espressione di IRS-1. I risultati ottenuti indicano la criticità dei livelli di espressione di IRS-1 nella determinazione della capacità differenziativa sia di cellule di OS umano e murino, sia delle MSCs.

Effetti dell'inibizione di Tanchirasi in linee cellulari di Medulloblastoma umano

Tanchirasi (TNKS) è un membro della superfamiglia delle PARP (Poli ADP-Ribosio Polimerasi). TNKS è coinvolta nella stabilizzazione della subunità catalitca del complesso proteico DNA-PK (protein chinasi DNA-dipendente), la DNA-PKcs. Questa proteina è fondamentale per il corretto funzionamento del meccanismo di riparo del DNA chiamato "Saldatura Non Omologa delle Estremità" (NHEJ). La deplezione di TNKS induce una degradazione della DNA-PKcs e una maggiore sensibilità alle radiazioni ionizzanti (RI). TNKS è inoltre un regolatore negativo di axina e di conseguenza un attivatore del pathway di WNT; l'inibizione quindi di TNKS induce anche una inibizione del pathway di WNT. Alterazioni in questo signalling si riscontrano frequentemente nel Medulloblastoma (MB), il tumore cerebrale embrionale più comune dell'infanzia. La radioterapia post-operatoria risulta essere molto efficacia in questa neoplasia, ma causa gravi effetti collaterali e un terzo dei pazienti presenta radioresistenza intrinseca. Un'importante sfida per la ricerca è quindi l'aumento della radiosensibilità tumorale. In questo lavoro, abbiamo studiato gli effetti dell'inibizione farmacologica di TNKS in linee cellulari di MB umano, mediante la small molecule XAV939, potente e specifico inibitore di TNKS. Il trattamento con XAV939 induce una consistente inibizione della capacità proliferativa e clonogenica, non correlata ad un aumento della mortalità cellulare, indicando una bassa tossicità legata alla molecola. Il co-trattamento di XAV939 e RI (γ-ray, dose 2 Gy) causa una ulteriore inibizione della proliferazione cellulare e della capacità di formare colonie. Abbiamo inoltre constatato, mediante Neutral Comet Assay, una minore efficacia nel riparo del DNA in cellule irradiate trattate con XAV939, indicando un effettivo aumento della radiosensibilità in cellule di MB trattate con l'inibitore di TNKS. L'aumentata mortalità cellulare in cellule tumorali trattate con XAV939 e RI ha confermato la nostra ipotesi. Il nostro studio in vitro indica come TNKS possa essere un utile target terapeutico per rendere più efficace l'attuale terapia contro il MB.

Difetto di informazione e danno da prodotto

“Difetto di Informazione e danno da prodotto” è un tema di grande interesse ed attualità, in un momento storico in cui si è riacceso il dibattito sulla disciplina della responsabilità per danni da prodotto difettoso. Complice è “il difetto di informazione”, da sempre rimasto ai margini della casistica giurisprudenziale, ma che improvvisamente “ruba la scena” imponendosi all'attenzione della Cassazione (nn. 6007/2007 e 20985/2007) e rivelando nodi interpretativi di forte impatto pratico nelle cause di responsabilità del produttore. Di qui l’esigenza di approfondire la complessa tematica degli information defects, sotto il profilo della nozione di “difetto” e della sua prova, nonché dell’incidenza di eventuali carenze informative sulla responsabilità del produttore. Muovendo dall’analisi della Direttiva e della sua attuazione italiana, il lavoro individua i punti nodali di tale disciplina ed i vari limiti posti – sia a livello interpretativo che applicativo - alla tutela del danneggiato, suscettibili di renderla meno “appetibile” di quanto potrebbe sembrare. Affronta, quindi, criticamente le questioni trattate nelle due sentenze di legittimità del 2007 in ordine sia alla distribuzione tra le parti dell'onere probatorio, sia alla rilevanza delle informazioni fornite dal produttore. Peculiare interrogativo cui si cerca di dare risposta è se, ed in che misura, l’“informazione” consenta al produttore di andare esente da responsabilità. Il lavoro passa ad esplorare i nuovi scenari offerti dalla interazione tra la disciplina della responsabilità del produttore e quella sulla sicurezza generale dei prodotti, la cui coesistenza all’interno del medesimo corpo di norme pone nuovi interrogativi, quali la sussistenza della responsabilità del produttore di un bene “conforme” ed il ruolo dell’informazione nell’ipotesi di prodotti non difettosi e/o “conformi”. La ricerca affronta tali interrogativi con sguardo critico e provocatorio sollevando il dubbio se la “conformità alle norme armonizzate” non rischi di diventare una “nuova” clausola di esonero della responsabilità del produttore.

Approccio combinato geo-location database e sensing per individuare i livelli di potenza trasmissibili da white space device

La Cognitive Radio è un dispositivo in grado di reagire ai cambiamenti dell’ambiente radio in cui opera, modificando autonomamente e dinamicamente i propri parametri funzionali tra cui la frequenza, la potenza di trasmissione e la modulazione. Il principio di base di questi dispositivi è l’accesso dinamico alle risorse radio potenzialmente non utilizzate, con cui utenti non in possesso di licenze possono sfruttare le frequenze che in un determinato spazio temporale non vengono usate, preoccupandosi di non interferire con gli utenti che hanno privilegi su quella parte di spettro. Devono quindi essere individuati i cosiddetti “spectrum holes” o “white spaces”, parti di spettro assegnate ma non utilizzate, dai quali prendono il nome i dispositivi.Uno dei modi per individuare gli “Spectrum holes” per una Cognitive Radio consiste nel cercare di captare il segnale destinato agli utenti primari; questa tecnica è nota con il nome di Spectrum Sensing e consente di ottenere essenzialmente una misura all’interno del canale considerato al fine di determinare la presenza o meno di un servizio protetto. La tecnica di sensing impiegata da un WSD che opera autonomamente non è però molto efficiente in quanto non garantisce una buona protezione ai ricevitori DTT che usano lo stesso canale sul quale il WSD intende trasmettere.A livello europeo la soluzione che è stata ritenuta più affidabile per evitare le interferenze sui ricevitori DTT è rappresentata dall’uso di un geo-location database che opera in collaborazione con il dispositivo cognitivo.Lo scopo di questa tesi è quello di presentare un algoritmo che permette di combinare i due approcci di geo-location database e Sensing per definire i livelli di potenza trasmissibile da un WSD.

Metodologie per l'analisi statistica di dati di sequencing relativi a un esperimento di rna interference

La RNA interference è un processo attraverso il quale alcuni piccoli frammenti di RNA (19-25 nucleotidi) sono in grado di silenziare l'espressione genica. La sua scoperta, nel 1998, ha rivoluzionato le concezioni della biologia molecolare, minando le basi del cosiddetto Dogma Centrale. Si è visto che la RNAi riveste ruoli fondamentali in meccanismi di regolazione genica, nello spegnimento dell'espressione e funziona come meccanismo di difesa innata contro varie tipologie di virus. Proprio a causa di queste implicazioni richiama interesse non solo dal punto di vista scientifico, ma anche da quello medico, in quanto potrebbe essere impiegata per lo sviluppo di nuove cure. Nonostante la scoperta di tale azione desti la curiosità e l'interesse di molti, i vari processi coinvolti, soprattutto a livello molecolare, non sono ancora chiari. In questo lavoro si propongono i metodi di analisi di dati di un esperimento prodotto dall'Istituto di Biologia molecolare e cellulare di Strasburgo. Nell'esperimento in questione vengono studiate le funzioni che l'enzima Dicer-2 ha nel pathway - cioè la catena di reazioni biomolecolari - della RNA interference durante un'infezione virale nel moscerino della frutta Drosophila Melanogaster. Per comprendere in che modo Dicer-2 intervenga nel silenziamento bisogna capire in quali casi e quali parti di RNA vengono silenziate, a seconda del diverso tipo di mutazione dell'enzima stesso. Dunque è necessario sequenziare l'RNA nelle diverse condizioni sperimentali, ottenendo così i dati da analizzare. Parte dei metodi statistici che verranno proposti risultano poco convenzionali, come conseguenza della peculiarità e della difficoltà dei quesiti che l'esperimento mette in luce. Siccome le tematiche affrontate richiedono un approccio sempre più interdisciplinare, è aumentata considerevolmente la richiesta di esperti di altri settori scientifici come matematici, informatici, fisici, statistici e ingegneri. Questa collaborazione, grazie a una diversità di approccio ai problemi, può fornire nuovi strumenti di comprensione in ambiti che, fino a poco tempo fa, rientravano unicamente nella sfera di competenza dei biologi.

Studio degli interventi di mitigazione del rischio da frana in localita' S.P. Diga Salto - Bivio Rocca Vittiana (RI)

L’area posta a monte della strada provinciale Diga Salto – Bivio Rocca Vittiana del comune di Varco Sabino (RI), è stata risanata dopo che l’Amministrazione Provinciale di Rieti ha indetto un appalto concorso esteso a tutto il territorio nazionale nel 1990. A seguito degli interventi di bonifica e consolidamento della zona suddetta, nonché di protezione e presidio del sottostante tratto di S.P. (Figura 50) con le relative proposte di manutenzione ad oggi non pervenute, si è voluto intraprendere questo studio, mostrando le soluzioni adottate in passato e confrontandole con lo stato dei luoghi al 2013. Tutto ciò è nato dalla consapevolezza e conoscenza del territorio reatino e dalla sua propensione al dissesto, che già dall’età romana e dalla metà del ‘900, ha subito profondi cambiamenti a seguito di considerevoli opere di bonifica e sistemazioni territoriali come la realizzazione dei bacini artificiali del Salto e del Turano per rendere più agevole l’insediamento e la colonizzazione dei terreni della Piana di Rieti, anticamente occupata dalle acque del Lacus Velinus. Proprio dove fu eretta la diga del Salto sotto Rocca Vittiana di Varco Sabino, corre la strada provinciale e quel Suo sciagurato tratto di 500 m bersaglio di massi in caduta libera dal monte sovrastante. Le frane per crollo appaiono tra i dissesti maggiormente pericolosi e frequenti e, nel contempo, i meno considerati negli studi geologici. Nella Provincia di Rieti sono ricorrenti i fenomeni di questo tipo di frana...