Non-parametric estimation of the diffusion coefficient of a branching diffusion with immigration

Wir betrachten Systeme von endlich vielen Partikeln, wobei die Partikel sich unabhängig voneinander gemäß eindimensionaler Diffusionen [dX_t = b(X_t),dt + sigma(X_t),dW_t] bewegen. Die Partikel sterben mit positionsabhängigen Raten und hinterlassen eine zufällige Anzahl an Nachkommen, die sich gemäß eines Übergangskerns im Raum verteilen. Zudem immigrieren neue Partikel mit einer konstanten Rate. Ein Prozess mit diesen Eigenschaften wird Verzweigungsprozess mit Immigration genannt. Beobachten wir einen solchen Prozess zu diskreten Zeitpunkten, so ist zunächst nicht offensichtlich, welche diskret beobachteten Punkte zu welchem Pfad gehören. Daher entwickeln wir einen Algorithmus, um den zugrundeliegenden Pfad zu rekonstruieren. Mit Hilfe dieses Algorithmus konstruieren wir einen nichtparametrischen Schätzer für den quadrierten Diffusionskoeffizienten $sigma^2(cdot),$ wobei die Konstruktion im Wesentlichen auf dem Auffüllen eines klassischen Regressionsschemas beruht. Wir beweisen Konsistenz und einen zentralen Grenzwertsatz.

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

Bioelettronica organica: Nuovi approcci tecnologici per la stimolazione e la rilevazione della comunicazione di cellule neuronali.

Il campo della Bioelettronica si è sviluppato a partire dal 18 secolo con l’ esperimento di Luigi Galvani che, applicando uno stimolo elettrico ai muscoli di una rana dissezionata, ne osservò il movimento. Da questo esperimento si è aperta la strada che ha portato ad oggi ad un grande sviluppo tecnologico nella realizzazione di dispositivi elettronici che permettono di offrire un miglioramento generale delle condizioni di vita. Come spesso accade con le tecnologie emergenti, i materiali sono la maggiore limitazione nello sviluppo di nuove applicazioni. Questo è certamente il caso della Bioelettronica. I materiali elettronici organici, nella forma di polimeri conduttivi, hanno mostrato di poter dotare gli strumenti elettronici di grandi vantaggi rispetto a quelli tradizionali a base di silicio, in virtù delle loro proprietà meccaniche ed elettroniche, della loro biocompatibilità e dei bassi costi di produzione. E’ da questi studi che nasce più propriamente il campo della Bioelettronica Organica, che si basa sulla applicazione di semiconduttori a base di carbonio in forma di piccole molecole coniugate e di polimeri, e del loro utilizzo nei dispositivi elettronici. Con il termine di ‘Bioelettronica organica’, quindi, si descrive l’accoppiamento tra dispositivi elettronici organici e il mondo biologico, accoppiamento che si sviluppa in due direzioni: da un lato una reazione o un processo biologico può trasferire un segnale ad un dispositivo elettronico organico, dall’altro un dispositivo elettronico organico può avviare un processo biologico.

The effect of diffusion gradient direction number on tractography of corticospinal tract in human brain: an along-tract analysis

Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica.

Recupero e purificazione di poliidrossialcanoati da cellule batteriche

Le materie plastiche sono materiali polimerici che possono contenere altre sostanze finalizzate a migliorarne le proprietà o ridurre i costi (IUPAC). Accanto agli innumerevoli vantaggi apportati dall’utilizzo della plastica, negli anni sono emersi aspetti negativi relativi all’inquinamento ambientale causato dalla dispersione del materiale plastico nei rifiuti urbani e conseguentemente nelle discariche. La diffusione e l’utilizzo della bioplastica si pone come obiettivo minimizzare la dipendenza dal petrolio in previsione della diminuzione del numero di giacimenti e quindi della sua disponibilità. Lo scopo del presente lavoro di sperimentazione è lo studio del processo di dowstream di PHA prodotti in laboratorio partendo dalla verifica dei risultati riportati in letteratura e puntando poi ad un miglioramento di un processo convenzionale attraverso la ricerca di nuove alternative.

Utilizzo di cellule MCF-7 in coltura per valutare la presenza di xenoestrogeni e composti genotossici in acque ad uso potabile pre- e post- trattamento

Nelle matrici ambientali sono spesso presenti xenoestrogeni, molecole sintetiche o di origine naturale ad attività estrogenica in grado di alterare il normale equilibrio ormonale di organismi esposti, incidendo negativamente su alcune funzioni vitali come la riproduzione ed il metabolismo. Diverse sostanze chimiche presenti in ambiente, tra cui alcune molecole ad attività estrogenica, sono anche potenziali composti genotossici, in grado, cioè, di interagire con il DNA ed esercitare effetti anche a lungo termine come l’insorgenza di tumori nei vertebrati, uomo compreso. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto ed utilizzare due saggi biologici, il saggio E-screen ed il test dei micronuclei, per valutare la presenza di xenoestrogeni e composti genotossici in campioni di acque prelevate prima e dopo i trattamenti di potabilizzazione, utilizzando cellule MCF-7 di adenocarcinoma mammario come modello sperimentale in vitro. Le indagini biologiche sono state condotte sulla base di una convenzione di ricerca con la Società acquedottistica Romagna Acque- Società delle fonti e hanno previsto tre campagne di monitoraggio. I campioni di acqua sperimentale, raccolti prima e dopo i trattamenti presso diversi impianti di potabilizzazione, sono stati preventivamente filtrati, estratti in fase solida, fatti evaporare sotto leggero flusso di azoto, ed infine, saggiati sulle cellule. Il test E-screen, di cui abbiamo dimostrato un elevato livello di sensibilità, ha permesso di escludere la presenza di composti ad attività estrogenica nei campioni esaminati. Allo stesso modo, i risultati del test dei micronuclei hanno dimostrato l’assenza di effetti genotossici, confermando la buona qualità delle acque analizzate. Nell’ambito delle attività di monitoraggio, le indagini biologiche risultano essenziali per la valutazione di una potenziale contaminazione ambientale, in quanto forniscono informazioni anche quando non sono state condotte analisi chimiche. Inoltre, anche quando le analisi chimiche siano state condotte, i test biologici informano della potenzialità tossica di una matrice causata eventualmente da sostanze non oggetto del saggio chimico. Infine, i test biologici permettono di identificare eventuali sinergie tra più contaminanti presenti nelle acque, affermandosi come test da condurre in maniera complementare ai saggi chimici. I test biologici come quelli impiegati nel lavoro di tesi sono molto sensibili ed informativi, ma necessitano della definizione di protocolli standardizzati per garantirne un’uniforme applicazione alle acque ad uso potabile, almeno a livello nazionale.

Modelli matematici di cardiomiociti derivanti da cellule staminali: una nuova formulazione per riprodurre gli effetti proaritmici del blocco della corrente di potassio

I cardiomiociti derivanti da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CMs) costituiscono un nuovo approccio per lo studio delle proprietà delle cellule cardiache sia degli individui sani che di quelli affetti da malattie ereditarie e possono rappresentare inoltre una piattaforma in vitro per la scoperta di nuovi farmaci e terapie rigenerative. Il grande impatto delle hiPSC-CMs nell’ambito della ricerca si deve soprattutto alle loro proprietà elettrofisiologiche: queste cellule non solo esprimono fenotipi genici e proprietà delle correnti ioniche tipiche delle cellule cardiache, ma sono anche in grado di riprodurre fenomeni aritmici, come le EAD, a seguito della somministrazione di farmaci. Grazie anche alla grande potenza di calcolo oggi disponibile è possibile supportare la pratica in vitro con modelli in silico, abbattendo sia i costi che i tempi richiesti dagli esperimenti in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro è quello di simulare il comportamento delle hiPSC-CMs di tipo ventricolare in risposta alla somministrazione di farmaci che interagiscono con la corrente di potassio IKr, principale responsabile della ripolarizzazione cardiaca. L’assunzione di certi farmaci può comportare infatti una riduzione della IKr, con conseguente prolungamento della fase di ripolarizzazione del potenziale d’azione cardiaco. Questo meccanismo è causa dell’insorgenza della sindrome del QT lungo di tipo 2, che in casi estremi può degenerare in aritmie gravi. Ciò suggerisce che queste cellule rappresentano un importante strumento per la valutazione del rischio pro-aritmico che può essere facilitata da simulazioni in silico effettuate utilizzando modelli computazionali basati su dati fisiologici.

Comparison of physiological triggering schemes for diffusion-weighted magnetic resonance imaging in kidneys

To determine the potential benefit of combined respiratory-cardiac triggering for diffusion-weighted imaging (DWI) of kidneys compared to respiratory triggering alone (RT).

Evaluation of renal allograft function early after transplantation with diffusion-weighted MR imaging

To determine the inter-patient variability of apparent diffusion coefficients (ADC) and concurrent micro-circulation contributions from diffusion-weighted MR imaging (DW-MRI) in renal allografts early after transplantation, and to obtain initial information on whether these measures are altered in histologically proven acute allograft rejection (AR).

Eye movement and diffusion tensor imaging analysis of treatment effects in a Niemann-Pick Type C patient

New treatment options for Niemann-Pick Type C (NPC) have recently become available. To assess the efficiency and efficacy of these new treatment markers for disease status and progression are needed. Both the diagnosis and the monitoring of disease progression are challenging and mostly rely on clinical impression and functional testing of horizontal eye movements. Diffusion tensor imaging (DTI) provides information about the microintegrity especially of white matter. We show here in a case report how DTI and measures derived from this imaging method can serve as adjunct quantitative markers for disease management in Niemann-Pick Type C. Two approaches are taken--first, we compare the fractional anisotropy (FA) in the white matter globally between a 29-year-old NPC patient and 18 healthy age-matched controls and show the remarkable difference in FA relatively early in the course of the disease. Second, a voxelwise comparison of FA values reveals where white matter integrity is compromised locally and demonstrate an individualized analysis of FA changes before and after 1year of treatment with Miglustat. This method might be useful in future treatment trials for NPC to assess treatment effects.

Predicting and monitoring cancer treatment response with diffusion-weighted MRI

An imaging biomarker that would provide for an early quantitative metric of clinical treatment response in cancer patients would provide for a paradigm shift in cancer care. Currently, nonimage based clinical outcome metrics include morphology, clinical, and laboratory parameters, however, these are obtained relatively late following treatment. Diffusion-weighted MRI (DW-MRI) holds promise for use as a cancer treatment response biomarker as it is sensitive to macromolecular and microstructural changes which can occur at the cellular level earlier than anatomical changes during therapy. Studies have shown that successful treatment of many tumor types can be detected using DW-MRI as an early increase in the apparent diffusion coefficient (ADC) values. Additionally, low pretreatment ADC values of various tumors are often predictive of better outcome. These capabilities, once validated, could provide for an important opportunity to individualize therapy thereby minimizing unnecessary systemic toxicity associated with ineffective therapies with the additional advantage of improving overall patient health care and associated costs. In this report, we provide a brief technical overview of DW-MRI acquisition protocols, quantitative image analysis approaches and review studies which have implemented DW-MRI for the purpose of early prediction of cancer treatment response.

Diffusion-weighted imaging for the follow-up of patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation

To evaluate the use of diffusion-weighted imaging (DWI) for the assessment of cartilage maturation in patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation (MACT).

EPITHET: Positive Result After Reanalysis Using Baseline Diffusion-Weighted Imaging/Perfusion-Weighted Imaging Co-Registration

the Echoplanar Imaging Thrombolytic Evaluation Trial (EPITHET) was a prospective, randomized, double-blinded, placebo-controlled, phase II trial of alteplase between 3 and 6 hours after stroke onset. The primary outcome of infarct growth attenuation on MRI with alteplase in mismatch patients was negative when mismatch volumes were assessed volumetrically, without coregistration, which underestimates mismatch volumes. We hypothesized that assessing the extent of mismatch by coregistration of perfusion and diffusion MRI maps may more accurately allow the effects of alteplase vs placebo to be evaluated.

Diffusion-weighted MR imaging of the placenta in fetuses with placental insufficiency

PURPOSE: To evaluate diffusion-weighted magnetic resonance (MR) imaging of the human placenta in fetuses with and fetuses without intrauterine growth restriction (IUGR) who were suspected of having placental insufficiency. MATERIALS AND METHODS: The study was approved by the local ethics committee, and written informed consent was obtained. The authors retrospectively evaluated 1.5-T fetal MR images from 102 singleton pregnancies (mean gestation ± standard deviation, 29 weeks ± 5; range, 21-41 weeks). Morphologic and diffusion-weighted MR imaging were performed. A region of interest analysis of the apparent diffusion coefficient (ADC) of the placenta was independently performed by two observers who were blinded to clinical data and outcome. Placental insufficiency was diagnosed if flattening of the growth curve was detected at obstetric ultrasonography (US), if the birth weight was in the 10th percentile or less, or if fetal weight estimated with US was below the 10th percentile. Abnormal findings at Doppler US of the umbilical artery and histopathologic examination of specimens from the placenta were recorded. The ADCs in fetuses with placental insufficiency were compared with those in fetuses of the same gestational age without placental insufficiency and tested for normal distribution. The t tests and Pearson correlation coefficients were used to compare these results at 5% levels of significance. RESULTS: Thirty-three of the 102 pregnancies were ultimately categorized as having an insufficient placenta. MR imaging depicted morphologic changes (eg, infarction or bleeding) in 27 fetuses. Placental dysfunction was suspected in 33 fetuses at diffusion-weighted imaging (mean ADC, 146.4 sec/mm(2) ± 10.63 for fetuses with placental insufficiency vs 177.1 sec/mm(2) ± 18.90 for fetuses without placental insufficiency; P < .01, with one false-positive case). The use of diffusion-weighted imaging in addition to US increased sensitivity for the detection of placental insufficiency from 73% to 100%, increased accuracy from 91% to 99%, and preserved specificity at 99%. CONCLUSION: Placental dysfunction associated with growth restriction is associated with restricted diffusion and reduced ADC. A decreased ADC used as an early marker of placental damage might be indicative of pregnancy complications such as IUGR.

Diffusion-weighted MR imaging of native and transplanted kidneys

Applications of diffusion-weighted (DW) magnetic resonance (MR) imaging outside the brain have gained increasing importance in recent years. Owing to technical improvements in MR imaging units and faster sequences, the need for noninvasive imaging without contrast medium administration, mainly in patients with renal insufficiency, can be met successfully by applying this technique. DW MR imaging is quantified by the apparent diffusion coefficient (ADC), which provides information on diffusion and perfusion simultaneously. By using a biexponential fitting process of the DW MR imaging data, these two entities can be separated, because this type of fitting process can serve as an estimate of both the perfusion fraction and the true diffusion coefficient. DW MR imaging can be applied for functional evaluation of the kidneys in patients with acute or chronic renal failure. Impairment of renal function is accompanied by a decreased ADC. Acute ureteral obstruction leads to perfusion and diffusion changes in the affected kidney, and renal artery stenosis results in a decreased ADC. In patients with pyelonephritis, diffuse or focal changes in signal intensity are seen on the high-b-value images, with increased signal intensity corresponding to low signal intensity on the ADC map. The feasibility and reproducibility of DW MR imaging in patients with transplanted kidneys have already been demonstrated, and initial results seem to be promising for the assessment of allograft deterioration. Overall, performance of renal DW MR imaging, presuming that measurements are of high quality, will further boost this modality, particularly for early detection of diffuse renal conditions, as well as more accurate characterization of focal renal lesions.