L'automazione del laboratorio clinico: Flussi di lavoro ed interoperabilità nel sistema informativo di laboratorio

Questa tesi si pone come obiettivo l’analisi delle principali problematiche legate alla gestione di un laboratorio clinico, mostrando l’impatto dei processi di automazione sui flussi di lavoro, trattando le principali direttive legate al sistema informativo di laboratorio e concentrandosi sull’analisi dell’interoperabilità tra di esso ed altri sistemi sanitari.

Integrazione dei flussi informativi nell'automazione del laboratorio analisi

In virtù della crescente importanza dell’impiego del software nel settore dei dispositivi medici, come software indipendente (stand-alone) oppure come software incorporato in un altro dispositivo medico, un requisito essenziale per il suo utilizzo è la validazione secondo lo stato dell’arte. La certificazione come dispositivo medico diviene in tal modo fonte di garanzia e di sicurezza per il suo impiego. Il Sistema Informativo di Laboratorio (LIS), supportando il processo operativo dei dispositivi medico-diagnostici in vitro, necessita di una regolamentazione in tale direzione. Il workflow del Laboratorio Analisi, suddiviso in fasi preanalitica, analitica e postanalitica, ha beneficiato dell’introduzione di un sistema informatico in grado di gestire le richieste di esami dei pazienti e di processare e memorizzare le informazioni generate dalle apparecchiature presenti nel laboratorio. Più di ogni altro scenario clinico, il Laboratorio Analisi si presta ad essere organizzato sfruttando un modello di gestione fortemente integrato. Le potenzialità ad esso connesse garantiscono un aumento di produttività, una riduzione degli errori di laboratorio e una maggior sicurezza sia per i professionisti sanitari che per l’intero processo analitico. Per l’importanza clinica affidata al dato di laboratorio, la sua diffusione deve avvenire in maniera veloce e sicura; ciò è possibile se il ritorno elettronico dei risultati al medico richiedente si avvale dello standard HL7, il cui utilizzo è promosso dal modello IHE. La presenza di un unico database sanitario contenente anagrafiche univoche, facilmente aggiornabili, riduce il rischio di errata identificazione del paziente e, in particolare, offre la possibilità di disporre dei risultati di esami precedenti, opportunità particolarmente utile nel delineare il quadro clinico di pazienti cronici. Tale vantaggio e molte altre strategie, in grado di migliorare la qualità dell’assistenza e dell’outcome clinico, permettono di definire il laboratorio clinico come “motore di appropriatezza”.

Studio di flussi granulari secchi riprodotti in laboratorio a media scala: Elaborazione di un modello applicabile a casi naturali.

Questa tesi di laurea si riferisce allo studio cinematico e morfologico di flussi granulari composti di materiale vulcanico naturale tramite la strumentazione sperimentale GRANFLOW-sim presso il Dipartimento di Scienze Geologiche dell’Università Autonoma di San Luis Potosì in Messico. E’ stato adottato un approccio sperimentale finalizzato a riprodurre le condizioni fisico-meccaniche di flussi granulari secchi in piccola scala riconducibili a differenti ambienti deposizionali naturali e artificiali. La strumentazione è composta da una canaletta di alimentazione ad inclinazione fissa di 40° ed un piano di deposizione a inclinazioni variabile da 0° a 20° al fine di simulare diverse condizioni deposizionali. Specifici sensori in posizione fissa sullo strumento hanno consentito di raccogliere dati cinematici del flusso e morfologici del deposito corrispondente, rielaborati in profili di velocità e modelli morfologici digitali per ognuno degli esperimenti effettuati. E’ stata osservata una tripartizione del fronte del flusso granulare caratterizzata da i) clasti balistici isolati, ii) un fronte disperso costituito da clasti saltellanti che precede l’arrivo del iii) fronte compatto del flusso costituito dalla parte principale del materiale trasportato. La normalizzazione dei dati cinematici e morfologici ha reso possibile l’elaborazione di relazioni empiriche per lunghezza e larghezza del deposito e velocità massima del flusso in funzione di variabili condizioni di slope-ratio (rapporto tra l’inclinazione del piano di deposizione e della canaletta) e ΔH (differenza di quota tra l’area sorgente del flusso ed il fronte compatto del deposito). Queste relazioni sono state confrontate con i valori ottenuti da Zanchetta et al. (2004) per i flussi granulari naturali nell’area di Sarno, unico caso di studio reale confrontabile con le condizioni sperimentali adottate in questa tesi. Tale confronto ha mostrato una buona corrispondenza tra dati sperimentali e situazione reale nei casi in cui l’effetto di canalizzazione dei flussi granulari era trascurabile. Ciò evidenzia la possibilità di calibrare la strumentazione GRANFLOW-sim al fine di incorporare la valutazione dell’effetto di canalizzazione, ampliando il raggio di utilizzo delle relazioni empiriche ad un numero maggiore di casi di studio di flussi granulari naturali.

Studio della stabilita spazio-temporale di G: modello di laboratorio di un apparato per sonde interplanetarie

L'isolamento gravitazionale delle sonde dello spazio profondo durante le loro fasi di crociera ed i loro esigui livelli di vibrazioni, le rendono la migliore collocazione possibile per mini-laboratori automatici di fisica fondamentale da installare su di esse come strumenti scientifici. Date le note difficoltà di misurazione della costante di gravitazione universale, probabilmente dovute alla collocazione terrestre dei laboratori, si propone di dedicare un mini-laboratorio alla misurazione del valore locale ed istantaneo della costante G ed alla sua stabilità spazio-temporale durante il moto della sonda. La misurazione di G nel mini-laboratorio può essere effettuata rilasciando con attuatori elettrostatici, senza velocità relativa, due masse campione, preferibilmente due sfere d’oro da 1Kg, a distanza di 1 mm, e monitorando il loro libero moto, dominato dall’attrazione gravitazionale reciproca, con un sensore di spostamento laser interferometrico multicanale. Dopo il congiungimento le masse dovrebbero essere riposizionate e rilasciate nuovamente per una misurazione quasi continua della costante. Un meccanismo dorrebbe invece bloccare le masse durante le fasi dinamiche della sonda. Un sensore di spostamento interferometrico a fibre ottiche, FPS3010 della Attocube, appariva adatto ed un esperimento è stato realizzato per provarlo in un apparato simulante il mini-laboratorio. In una campana del vuoto isolata dalle vibrazioni, due cilindri in tungsteno da 1Kg sono stati sospesi orizzontante tramite micro-Dyneema a piastre in allumino movimentate da nanoposizionatori piezoelettrici dotati di encoder ottico nanometrico. Il sensore ha monitorato il moto radiale dei cilindri, le cui basi combacianti sono state posizionate a distanze di separazione variabili da 10 micron a 5000 micron. Malgrado il rumore meccanico ed una sorgente ignota di errore sistematico, un moto attrattivo è stato riscontrato differenzialmente o direttamente in molte misurazioni e nessuna ha mostrato un moto repulsivo. In alcune misurazioni è direttamente visibile la rotazione dell’asse di oscillazione dei cilindri sospesi. Il sensore si è comportato egregiamente.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Processi di degassamento di laghi craterici iperacidi: analisi del fenomeno attraverso i dati di prove di laboratorio e confronto con dati empirici.

Le condizioni iperacide presenti nelle acque di alcuni laghi craterici, combinate con altre proprietà chimico-fisiche quali densità e temperatura, possono favorire processi di degassamento anche di specie ad elevata solubilità e geochimicamente conservative in acque “normali”. In questa tesi si sono studiati i meccanismi e l’influenza di tali proprietà nel processo di degassamento attraverso la ricostruzione in laboratorio delle condizioni iperacide che caratterizzano i laghi iperacidi in natura. Particolare attenzione è posta al comportamento dello ione Cl-, diffusamente presente nelle acque crateriche e considerato fin ora tipicamente “conservativo”. In condizioni di estrema acidità questo ione modifica la sua tendenza conservativa, attivando le sue caratteristiche di base coniugata. In tali condizioni infatti esso si lega agli ioni H+ presenti formando acido cloridrico molecolare (HCl), parte del quale inevitabilmente degassa. Lo studio di soluzioni preparate in laboratorio e poste a condizioni di temperatura, densità ed acidità iniziale differenti, sono stati raccolti una serie di dati relativi al pH e alle variazioni della concentrazione dello ione Cl- imputabile a fenomeni di degassamento. I dati così ottenuti, sono stati poi confrontati con le caratteristiche chimico-fisiche di una serie di laghi craterici iperacidi esistenti in varie parti del mondo. Questo confronto ha consentito di definire più in dettaglio le cause ed i meccanismi che portano al degassamento di acidi forti (HCl) da acque iperacide e il grado di influenza delle varie proprietà sopra citate in questo fenomeno naturale.

Processi di trasporto conservativo in acque sotterranee ed interpretazione di esperimenti a scala di laboratorio

Preservare la qualita delle acque sotterranee e di primaria importanza nel contesto della gestione delle risorse idriche. Al fine di interpretare in modo corretto i processi di trasporto di contaminanti all'interno di mezzi porosi saturi, e utile analizzare esperimenti a scala di laboratorio, in cui le condizioni al contorno e iniziali sono sufficientemente controllate. In questo lavoro, si e interpretato un esperimento di trasporto conservativo presente in letteratura, al fine di valutare l'accuratezza di un modello advettivo-dispersivo e di individuare tecniche appropriate per la stima dei parametri chiave del modello stesso.

Life stage differences in mammary gland gene expression profile in non-human primates

Breast cancer (BC) is the most common malignancy of women in the developed world. To better understand its pathogenesis, knowledge of normal breast development is crucial, as BC is the result of disregulation of physiologic processes. The aim of this study was to investigate the impact of reproductive life stages on the transcriptional profile of the mammary gland in a primate model. Comparative transcriptomic analyses were carried out using breast tissues from 28 female cynomolgus macaques (Macaca fascicularis) at the following life stages: prepubertal (n = 5), adolescent (n = 4), adult luteal (n = 5), pregnant (n = 6), lactating (n = 3), and postmenopausal (n = 5). Mammary gland RNA was hybridized to Affymetrix GeneChip(®) Rhesus Macaque Genome Arrays. Differential gene expression was analyzed using ANOVA and cluster analysis. Hierarchical cluster analysis revealed distinct separation of life stage groups. More than 2,225 differentially expressed mRNAs were identified. Gene families or pathways that changed across life stages included those related to estrogen and androgen (ESR1, PGR, TFF1, GREB1, AR, 17HSDB2, 17HSDB7, STS, HSD11B1, AKR1C4), prolactin (PRLR, ELF5, STAT5, CSN1S1), insulin-like growth factor signaling (IGF1, IGFBP1, IGFBP5), extracellular matrix (POSTN, TGFB1, COL5A2, COL12A1, FOXC1, LAMC1, PDGFRA, TGFB2), and differentiation (CD24, CD29, CD44, CD61, ALDH1, BRCA1, FOXA1, POSTN, DICER1, LIG4, KLF4, NOTCH2, RIF1, BMPR1A, TGFB2). Pregnancy and lactation displayed distinct patterns of gene expression. ESR1 and IGF1 were significantly higher in the adolescent compared to the adult animals, whereas differentiation pathways were overrepresented in adult animals and pregnancy-associated life stages. Few individual genes were distinctly different in postmenopausal animals. Our data demonstrate characteristic patterns of gene expression during breast development. Several of the pathways activated during pubertal development have been implicated in cancer development and metastasis, supporting the idea that other developmental markers may have application as biomarkers for BC.

Radiation metabolomics. 5. Identification of urinary biomarkers of ionizing radiation exposure in nonhuman primates by mass spectrometry-based metabolomics

Mass spectrometry-based metabolomics has previously demonstrated utility for identifying biomarkers of ionizing radiation exposure in cellular, mouse and rat in vivo radiation models. To provide a valuable link from small laboratory rodents to humans, γ-radiation-induced urinary biomarkers were investigated using a nonhuman primate total-body-irradiation model. Mass spectrometry-based metabolomics approaches were applied to determine whether biomarkers could be identified, as well as the previously discovered rodent biomarkers of γ radiation. Ultra-performance liquid chromatography-electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry analysis was carried out on a time course of clean-catch urine samples collected from nonhuman primates (n = 6 per cohort) exposed to sham, 1.0, 3.5, 6.5 or 8.5 Gy doses of (60)Co γ ray (∼0.55 Gy/min) ionizing radiation. By multivariate data analysis, 13 biomarkers of radiation were discovered: N-acetyltaurine, isethionic acid, taurine, xanthine, hypoxanthine, uric acid, creatine, creatinine, tyrosol sulfate, 3-hydroxytyrosol sulfate, tyramine sulfate, N-acetylserotonin sulfate, and adipic acid. N-Acetyltaurine, isethionic acid, and taurine had previously been identified in rats, and taurine and xanthine in mice after ionizing radiation exposure. Mass spectrometry-based metabolomics has thus successfully revealed and verified urinary biomarkers of ionizing radiation exposure in the nonhuman primate for the first time, which indicates possible mechanisms for ionizing radiation injury.

Estimation of male-to-female ratios of mutation rate in primates and rodents

Haldane (1935) developed a method for estimating the male-to-female ratio of mutation rate ($\alpha$) by using sex-linked recessive genetic disease, but in six different studies using hemophilia A data the estimates of $\alpha$ varied from 1.2 to 29.3. Direct genomic sequencing is a better approach, but it is laborious and not readily applicable to non-human organisms. To study the sex ratios of mutation rate in various mammals, I used an indirect method proposed by Miyata et al. (1987). This method takes advantage of the fact that different chromosomes segregate differently between males and females, and uses the ratios of mutation rate in sequences on different chromosomes to estimate the male-to-female ratio of mutation rate. I sequenced the last intron of ZFX and ZFY genes in 6 species of primates and 2 species of rodents; I also sequenced the partial genomic sequence of the Ube1x and Ube1y genes of mice and rats. The purposes of my study in addition to estimation of $\alpha$'s in different mammalian species, are to test the hypothesis that most mutations are replication dependent and to examine the generation-time effect on $\alpha$. The $\alpha$ value estimated from the ZFX and ZFY introns of the six primate specise is ${\sim}$6. This estimate is the same as an earlier estimate using only 4 species of primates, but the 95% confidence interval has been reduced from (2, 84) to (2, 33). The estimate of $\alpha$ in the rodents obtained from Zfx and Zfy introns is ${\sim}$1.9, and that deriving from Ube1x and Ube1y introns is ${\sim}$2. Both estimates have a 95% confidence interval from 1 to 3. These two estimates are very close to each other, but are only one-third of that of the primates, suggesting a generation-time effect on $\alpha$. An $\alpha$ of 6 in primates and 2 in rodents are close to the estimates of the male-to-female ratio of the number of germ-cell divisions per generation in humans and mice, which are 6 and 2, respectively, assuming the generation time in humans is 20 years and that in mice is 5 months. These findings suggest that errors during germ-cell DNA replication are the primary source of mutation and that $\alpha$ decreases with decreasing length of generation time. ^

CHROMOSOMAL MAPPING, LINKAGE RELATIONSHIPS, AND EVOLUTIONARY STUDIES OF THE HUMAN ANONYMOUS DNA CLONE D1S1 (IN SITU HYBRIDIZATION, PRIMATES, GENE MAPPING, AUTOSOMAL DOMINANT RETINITIS PIGMENTOSA, GENE DUPLICATION)

D1S1, an anonymous human DNA clone originally called (lamda)Ch4-H3 or (lamda)H3, was the first single copy mapped to a human chromosome (1p36) by in situ hybridization. The chromosomal assignment has been confirmed in other laboratories by repeating the in situ hybridization but not by another method. In the present study, hybridization to a panel of hamster-human somatic cell hybrids revealed copies of D1S1 on both chromosomes 1 and 3. Subcloning D1S1 showed that the D1S1 clone itself is from chromosome 3, and the sequence detected by in situ hybridization is at least two copies of part of the chromosome 3 copy. This finding demonstrates the importance of verifying gene mapping with two methods and questions the accuracy of in situ hybridization mapping.^ Non-human mammals have only one copy of D1S1, and the non-human primate D1S1 map closely resembles the human chromosome 3 copy. Thus, the human chromosome 1 copies appear to be part of a very recent duplication that occurred after the divergence between humans and the other great apes.^ A moderately informative HindIII D1S1 RFLP was mapped to chromosome 3. This marker and 12 protein markers were applied to a linkage study of autosomal dominant retinitis pigmentosa (ADRP). None of the markers proved linkage, but adding the three families examined to previously published data raises the ADRP:Rh lod score to 1.92 at (THETA) = 0.30. ^