Microphysiological systems: Nuove piattaforme di coltura cellulare per applicazioni di interesse biomedico

In questo elaborato verranno presentati le finalità, gli sviluppi e le prospettive future di una tipologia di coltura cellulare, ovvero dei microphysiological systems - MPS (o organs-on-chips), nuovi microdispositivi atti a riprodorre il più fedelmente possibile le condizioni fisiologiche adatte per la crescita e il mantenimento di strutture cellulari complesse. Verranno quindi inizialmente descritte le specifiche di base di questi dispositivi, sottolineandone l'innovatività dal punto di vista tecnologico e funzionale. Grazie agli MPS è infatti stato possibile intraprendere studi per una migliore comprensione del comportamento in condizioni dinamiche di una vasta gamma di tessuti, e la risposta di questi a stimoli chimici e fisici, rappresentativi di condizioni fisiologiche o patologiche, aprendo così le porte a nuovi standard per la sperimentazione clinica. Verrà quindi proposto un caso di studio, che riguarda l'applicazione di quanto sopra all'ambito cardiocircolatorio, prendendo in esame un modello di heart-on-a-chip, descrivendolo in tutte le fasi della sua realizzazione e infine discutendo uno studio riguardante la risposta delle cellule del muscolo cardiaco a un trattamento farmacologico.

Progetto e realizzazione di un sistema di test per sensori a effetto hall a banda larga

Un ambito di largo interesse nel campo dell’elettronica, è quello delle misure di corrente a larga banda, in cui la richiesta per sistemi a basso costo è aumentata sensibilmente nel corso del tempo. La causa di questo interessamento è dovuto al più frequente utilizzo di sistemi switched power ad alta frequenza, che necessitano di sensori di correnti isolati e ad alte prestazioni. L’intero lavoro prende in considerazione un sensore di nuova generazione per le misure di corrente, capace di raggiungere prestazioni oltre lo stato dell’arte. L’elaborato presentato vede, quindi, come obiettivo la creazione di un setup stabile per effettuare misure sui chip prodotti. Partendo dallo studio di fattibilità, della componentistica necessaria e dei compromessi per mantenere i costi, si giunge ad una soluzione flessibile e adatta alle misurazioni richieste. L’elaborato partirà con una introduzione sugli effetti fisici e la descrizione del componente fondamentale, passando a test funzionali effettuati su setup provvisori atti a ottenere informazioni basilari per la prosecuzione del lavoro. Infine verranno concepite e realizzate due schede a circuiti stampati per rispondere alle esigenze di progetto.

Sensore e interfacce per la misura di conducibilita con impedenza elettrica

Gli oceani coprono quasi il 75% della superficie della terra ed esercitano una grande influenza sulla vita di tutte le specie viventi e sull’evoluzione del clima a livello planetario. I repentini cambiamenti climatici hanno reso sempre piú importante studiarne i comportamenti. L’analisi della salinitá degli oceani é estremamente importante per gli studi sull’ambiente marino; puó essere usata per tracciare le masse d’acqua, descrivendone i flussi e svelandone la correlazione con i processi climatici, puó essere di aiuto ai biologi per studiare gli organismi marini e costituisce un parametro fondamentale per una vasta gamma di sensori. Un sistema autonomo che misuri conducibilitá e temperatura é il primo strumento per determinare la salinitá dell’acqua, sul mercato sono presenti sí numerosi sensori a elevata accuratezza ma necessitano di ingombranti strumenti di laboratorio per funzionare. Sistemi di ridotte dimensioni non sono invece altrettanto accurati ed affidabili. Questa tesi mira a sviluppare un'interfaccia che permetta di analizzare conducibilitá e temperatura con un elevato livello di accuratezza. Particolare attenzione sará posta all’elaborazione delle misure effettuate e alla caratterizzazione degli errori e dell’accuratezza del sistema. Partendo da queste basi in futuro si potrá creare un sistema autonomo a bassissima potenza, alimentato da batterie, che, basandosi sull’iterazione fra il chip impedenziometrico e il PIC, permetta di fare misure per un ciclo di vita di qualche anno.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Progetto di un sistema di collaudo per un tag RFID uwb integrato

La tesi è incentrata sul progetto di un PCB in grado di testare il corretto funzionamento del chip GRETA, un integrato dedicato, che implementa un nodo intelligente basato su harvesting RF. L'integrato implementa un sistema innovativo di comunicazione per RFID, che sfrutta la metodologia Green Tagging, per la trasmissione di sequenze RF. Vengono elaborate le diverse fasi di progettazione e di design pcb attraverso un programma di cad. Lo scopo è quello di realizzare un unico sistema perfettamente controllabile dall'utente, che attraverso i componenti messi a disposizione dalla scheda di testing, permetta di ricevere, inviare o escludere i segnali che afferiscono ai pin di Input/output del chip integrato. E' stata introdotta la possibilità di pilotare/testare separatamente le sottoparti interne al chip, con lo scopo di isolare eventuali malfunzionamenti.

Protocolli e applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR).

Con il seguente lavoro di tesi si propone un excursus dell’evoluzione della tecnica che ha permesso l’amplificazione del DNA in laboratorio, spiegandone i principi elementari di base. La scoperta che il DNA è il depositario dell’informazione genica ha aperto la strada a una nuova disciplina: la biologia molecolare, dove molte delle tecniche utilizzate limitano le funzioni naturali degli acidi nucleici. Dalla sua introduzione, la tecnologia PCR ha modificato il modo nel quale l’analisi del DNA viene condotta nei laboratori di ricerca e di diagnostica. Con lo scopo di rilevare direttamente sequenze genomiche specifiche in un campione biologico nasce l’esigenza di avere a disposizione metodologie con un’elevata soglia di sensibilità e specificità. Il primo capitolo di questo elaborato introduce la PCR nella sua prima formulazione. A partire da quantità estremamente ridotte di DNA, questa tecnica di amplificazione in vitro, consente di ottenere rapidamente milioni di molecole identiche della sequenza bersaglio di acido nucleico. A seguire, nel secondo capitolo, verrà trattata un’implementazione della PCR: la real-time PCR. La RT-PCR, introduce nuove opportunità poiché rende possibile la misurazione diretta e la quantificazione della reazione mentre è in atto. Con l’utilizzo di molecole fluorescenti che vengono incorporate nel prodotto in formazione o che si intercalano alla doppia elica, si può monitorare la formazione del prodotto di amplificazione in tempo reale seguendone l’assorbimento con un sistema spettrofotometrico, in un sistema automatizzato che provvede anche alle routine della PCR. Nel terzo e ultimo capitolo si analizza una nuova tecnologia recentemente commercializzata: la PCR in formato digitale. Verranno prese in esame essenzialmente due metodologie, la dPCR su chip e la ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction).

Microfluidic wound-healing assay to assess the regenerative effect of HGF on wounded alveolar epithelium

We present a microfluidic epithelial wound-healing assay that allows characterization of the effect of hepatocyte growth factor (HGF) on the regeneration of alveolar epithelium using a flow-focusing technique to create a regular wound in the epithelial monolayer. The phenotype of the epithelial cell was characterized using immunostaining for tight junction (TJ) proteins and transmission electron micrographs (TEMs) of cells cultured in the microfluidic system, a technique that is reported here for the first time. We demonstrate that alveolar epithelial cells cultured in a microfluidic environment preserve their phenotype before and after wounding. In addition, we report a wound-healing benefit induced by addition of HGF to the cell culture medium (19.2 vs. 13.5 μm h(-1) healing rate).

Caenorhabditis elegans Heterochromatin protein 1 (HPL-2) links developmental plasticity, longevity and lipid metabolism

Background Heterochromatin protein 1 (HP1) family proteins have a well-characterized role in heterochromatin packaging and gene regulation. Their function in organismal development, however, is less well understood. Here we used genome-wide expression profiling to assess novel functions of the Caenorhabditis elegans HP1 homolog HPL-2 at specific developmental stages. Results We show that HPL-2 regulates the expression of germline genes, extracellular matrix components and genes involved in lipid metabolism. Comparison of our expression data with HPL-2 ChIP-on-chip profiles reveals that a significant number of genes up- and down-regulated in the absence of HPL-2 are bound by HPL-2. Germline genes are specifically up-regulated in hpl-2 mutants, consistent with the function of HPL-2 as a repressor of ectopic germ cell fate. In addition, microarray results and phenotypic analysis suggest that HPL-2 regulates the dauer developmental decision, a striking example of phenotypic plasticity in which environmental conditions determine developmental fate. HPL-2 acts in dauer at least partly through modulation of daf-2/IIS and TGF-β signaling pathways, major determinants of the dauer program. hpl-2 mutants also show increased longevity and altered lipid metabolism, hallmarks of the long-lived, stress resistant dauers. Conclusions Our results suggest that the worm HP1 homologue HPL-2 may coordinately regulate dauer diapause, longevity and lipid metabolism, three processes dependent on developmental input and environmental conditions. Our findings are of general interest as a paradigm of how chromatin factors can both stabilize development by buffering environmental variation, and guide the organism through remodeling events that require plasticity of cell fate regulation.

The NutriChip project--translating technology into nutritional knowledge

Advances in food transformation have dramatically increased the diversity of products on the market and, consequently, exposed consumers to a complex spectrum of bioactive nutrients whose potential risks and benefits have mostly not been confidently demonstrated. Therefore, tools are needed to efficiently screen products for selected physiological properties before they enter the market. NutriChip is an interdisciplinary modular project funded by the Swiss programme Nano-Tera, which groups scientists from several areas of research with the aim of developing analytical strategies that will enable functional screening of foods. The project focuses on postprandial inflammatory stress, which potentially contributes to the development of chronic inflammatory diseases. The first module of the NutriChip project is composed of three in vitro biochemical steps that mimic the digestion process, intestinal absorption, and subsequent modulation of immune cells by the bioavailable nutrients. The second module is a miniaturised form of the first module (gut-on-a-chip) that integrates a microfluidic-based cell co-culture system and super-resolution imaging technologies to provide a physiologically relevant fluid flow environment and allows sensitive real-time analysis of the products screened in vitro. The third module aims at validating the in vitro screening model by assessing the nutritional properties of selected food products in humans. Because of the immunomodulatory properties of milk as well as its amenability to technological transformation, dairy products have been selected as model foods. The NutriChip project reflects the opening of food and nutrition sciences to state-of-the-art technologies, a key step in the translation of transdisciplinary knowledge into nutritional advice.

Comparative expression profiling of E. coli and S. aureus inoculated primary mammary gland cells sampled from cows with different genetic predispositions for somatic cell score

BACKGROUND: During the past ten years many quantitative trait loci (QTL) affecting mastitis incidence and mastitis related traits like somatic cell score (SCS) were identified in cattle. However, little is known about the molecular architecture of QTL affecting mastitis susceptibility and the underlying physiological mechanisms and genes causing mastitis susceptibility. Here, a genome-wide expression analysis was conducted to analyze molecular mechanisms of mastitis susceptibility that are affected by a specific QTL for SCS on Bos taurus autosome 18 (BTA18). Thereby, some first insights were sought into the genetically determined mechanisms of mammary gland epithelial cells influencing the course of infection. METHODS: Primary bovine mammary gland epithelial cells (pbMEC) were sampled from the udder parenchyma of cows selected for high and low mastitis susceptibility by applying a marker-assisted selection strategy considering QTL and molecular marker information of a confirmed QTL for SCS in the telomeric region of BTA18. The cells were cultured and subsequently inoculated with heat-inactivated mastitis pathogens Escherichia coli and Staphylococcus aureus, respectively. After 1, 6 and 24 h, the cells were harvested and analyzed using the microarray expression chip technology to identify differences in mRNA expression profiles attributed to genetic predisposition, inoculation and cell culture. RESULTS: Comparative analysis of co-expression profiles clearly showed a faster and stronger response after pathogen challenge in pbMEC from less susceptible animals that inherited the favorable QTL allele 'Q' than in pbMEC from more susceptible animals that inherited the unfavorable QTL allele 'q'. Furthermore, the results highlighted RELB as a functional and positional candidate gene and related non-canonical Nf-kappaB signaling as a functional mechanism affected by the QTL. However, in both groups, inoculation resulted in up-regulation of genes associated with the Ingenuity pathways 'dendritic cell maturation' and 'acute phase response signaling', whereas cell culture affected biological processes involved in 'cellular development'. CONCLUSIONS: The results indicate that the complex expression profiling of pathogen challenged pbMEC sampled from cows inheriting alternative QTL alleles is suitable to study genetically determined molecular mechanisms of mastitis susceptibility in mammary epithelial cells in vitro and to highlight the most likely functional pathways and candidate genes underlying the QTL effect.

A deletion in the N-myc downstream regulated gene 1 (NDRG1) gene in Greyhounds with polyneuropathy

The polyneuropathy of juvenile Greyhound show dogs shows clinical similarities to the genetically heterogeneous Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease in humans. The pedigrees containing affected dogs suggest monogenic autosomal recessive inheritance and all affected dogs trace back to a single male. Here, we studied the neuropathology of this disease and identified a candidate causative mutation. Peripheral nerve biopsies from affected dogs were examined using semi-thin histology, nerve fibre teasing and electron microscopy. A severe chronic progressive mixed polyneuropathy was observed. Seven affected and 17 related control dogs were genotyped on the 50k canine SNP chip. This allowed us to localize the causative mutation to a 19.5 Mb interval on chromosome 13 by homozygosity mapping. The NDRG1 gene is located within this interval and NDRG1 mutations have been shown to cause hereditary motor and sensory neuropathy-Lom in humans (CMT4D). Therefore, we considered NDRG1 a positional and functional candidate gene and performed mutation analysis in affected and control Greyhounds. A 10 bp deletion in canine NDRG1 exon 15 (c.1080_1089delTCGCCTGGAC) was perfectly associated with the polyneuropathy phenotype of Greyhound show dogs. The deletion causes a frame shift (p.Arg361SerfsX60) which alters several amino acids before a stop codon is encountered. A reduced level of NDRG1 transcript could be detected by RT-PCR. Western blot analysis demonstrated an absence of NDRG1 protein in peripheral nerve biopsy of an affected Greyhound. We thus have identified a candidate causative mutation for polyneuropathy in Greyhounds and identified the first genetically characterized canine CMT model which offers an opportunity to gain further insights into the pathobiology and therapy of human NDRG1 associated CMT disease. Selection against this mutation can now be used to eliminate polyneuropathy from Greyhound show dogs.

Device for lengthening of a musculotendinous unit by direct continuous traction in the sheep

Background Retraction, atrophy and fatty infiltration are signs subsequent to chronic rotator cuff tendon tears. They are associated with an increased pennation angle and a shortening of the muscle fibers in series. These deleterious changes of the muscular architecture are not reversible with current repair techniques and are the main factors for failed rotator cuff tendon repair. Whereas fast stretching of the retracted musculotendinous unit results in proliferation of non-contractile fibrous tissue, slow stretching may lead to muscle regeneration in terms of sarcomerogenesis. To slowly stretch the retracted musculotendinous unit in a sheep model, two here described tensioning devices have been developed and mounted on the scapular spine of the sheep using an expandable threaded rod, which has been interposed between the retracted tendon end and the original insertion site at the humeral head. Traction is transmitted in line with the musculotendinous unit by sutures knotted on the expandable threaded rod. The threaded rod of the tensioner is driven within the body through a rotating axis, which enters the body on the opposite side. The tendon end, which was previously released (16 weeks prior) from its insertion site with a bone chip, was elongated with a velocity of 1 mm/day. Results After several steps of technical improvements, the tensioner proved to be capable of actively stretching the retracted and degenerated muscle back to the original length and to withstand the external forces acting on it. Conclusion This technical report describes the experimental technique for continuous elongation of the musculotendinous unit and reversion of the length of chronically shortened muscle.

Diagnostic microchip to assay 3D colony-growth potential of captured circulating tumor cells

Microfluidic technology has been successfully applied to isolate very rare tumor-derived epithelial cells (circulating tumor cells, CTCs) from blood with relatively high yield and purity, opening up exciting prospects for early detection of cancer. However, a major limitation of state-of-the-art CTC-chips is their inability to characterize the behavior and function of captured CTCs, for example to obtain information on proliferative and invasive properties or, ultimately, tumor re-initiating potential. Although CTCs can be efficiently immunostained with markers reporting phenotype or fate (e.g. apoptosis, proliferation), it has not yet been possible to reliably grow captured CTCs over long periods of time and at single cell level. It is challenging to remove CTCs from a microchip after capture, therefore such analyses should ideally be performed directly on-chip. To address this challenge, we merged CTC capture with three-dimensional (3D) tumor cell culture on the same microfluidic platform. PC3 prostate cancer cells were isolated from spiked blood on a transparent PDMS CTC-chip, encapsulated on-chip in a biomimetic hydrogel matrix (QGel™) that was formed in situ, and their clonal 3D spheroid growth potential was assessed by microscopy over one week in culture. The possibility to clonally expand a subset of captured CTCs in a near-physiological in vitro model adds an important element to the expanding CTC-chip toolbox that ultimately should improve prediction of treatment responses and disease progression.

Development of a genotyping microarray for Usher syndrome

BACKGROUND: Usher syndrome, a combination of retinitis pigmentosa (RP) and sensorineural hearing loss with or without vestibular dysfunction, displays a high degree of clinical and genetic heterogeneity. Three clinical subtypes can be distinguished, based on the age of onset and severity of the hearing impairment, and the presence or absence of vestibular abnormalities. Thus far, eight genes have been implicated in the syndrome, together comprising 347 protein-coding exons. METHODS: To improve DNA diagnostics for patients with Usher syndrome, we developed a genotyping microarray based on the arrayed primer extension (APEX) method. Allele-specific oligonucleotides corresponding to all 298 Usher syndrome-associated sequence variants known to date, 76 of which are novel, were arrayed. RESULTS: Approximately half of these variants were validated using original patient DNAs, which yielded an accuracy of >98%. The efficiency of the Usher genotyping microarray was tested using DNAs from 370 unrelated European and American patients with Usher syndrome. Sequence variants were identified in 64/140 (46%) patients with Usher syndrome type I, 45/189 (24%) patients with Usher syndrome type II, 6/21 (29%) patients with Usher syndrome type III and 6/20 (30%) patients with atypical Usher syndrome. The chip also identified two novel sequence variants, c.400C>T (p.R134X) in PCDH15 and c.1606T>C (p.C536S) in USH2A. CONCLUSION: The Usher genotyping microarray is a versatile and affordable screening tool for Usher syndrome. Its efficiency will improve with the addition of novel sequence variants with minimal extra costs, making it a very useful first-pass screening tool.

The KIDSCREEN-27 quality of life measure for children and adolescents: psychometric results from a cross-cultural survey in 13 European countries

OBJECTIVE: To assess the construct and criterion validity of the KIDSCREEN-27 health-related quality of life (HRQoL) questionnaire, a shorter version of the KIDSCREEN-52. METHODS: The five-dimensional KIDSCREEN-27 was tested in a sample of 22,827. For criterion validity the correlation with and the percentage explained variance of the scores of the KIDSCREEN-52 instrument were examined. Construct validity was assessed by testing a priori expected associations with other generic HRQoL measures (YQOL-S, PedsQL, CHIP), indicators of physical and mental health, and socioeconomic status. Age and gender differences were investigated. RESULTS: Correlation with corresponding scales of the KIDSCREEN-52 ranged from r = 0.63 to r = 0.96, and r2 ranged from 0.39 to 0.92. Correlations between other HRQoL questionnaires and KIDSCREEN-27 dimensions were moderate to high for those assessing similar constructs (r = 0.36 to 0.63). Statistically significant and sizeable differences between physically and mentally healthy and ill children were found in all KIDSCREEN-27 dimensions together with strong associations with psychosomatic complaints (r = -0.52). Most of the KIDSCREEN-27 dimensions showed a gradient according to socio-economic status, age and gender. CONCLUSIONS: The KIDSCREEN-27 seems to be a valid measure of HRQoL in children and adolescents. Further research is needed to assess longitudinal validity and sensitivity to change.