Approccio network-based alla discriminant analysis mediante HPC per la ricerca di signature ottimali in dati ad alta dimensionalità

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della classificazione di dati ad alta dimensionalità, sviluppando un algoritmo basato sul metodo della Discriminant Analysis. Esso classifica i campioni attraverso le variabili prese a coppie formando un network a partire da quelle che hanno una performance sufficientemente elevata. Successivamente, l’algoritmo si avvale di proprietà topologiche dei network (in particolare la ricerca di subnetwork e misure di centralità di singoli nodi) per ottenere varie signature (sottoinsiemi delle variabili iniziali) con performance ottimali di classificazione e caratterizzate da una bassa dimensionalità (dell’ordine di 101, inferiore di almeno un fattore 103 rispetto alle variabili di partenza nei problemi trattati). Per fare ciò, l’algoritmo comprende una parte di definizione del network e un’altra di selezione e riduzione della signature, calcolando ad ogni passaggio la nuova capacità di classificazione operando test di cross-validazione (k-fold o leave- one-out). Considerato l’alto numero di variabili coinvolte nei problemi trattati – dell’ordine di 104 – l’algoritmo è stato necessariamente implementato su High-Performance Computer, con lo sviluppo in parallelo delle parti più onerose del codice C++, nella fattispecie il calcolo vero e proprio del di- scriminante e il sorting finale dei risultati. L’applicazione qui studiata è a dati high-throughput in ambito genetico, riguardanti l’espressione genica a livello cellulare, settore in cui i database frequentemente sono costituiti da un numero elevato di variabili (104 −105) a fronte di un basso numero di campioni (101 −102). In campo medico-clinico, la determinazione di signature a bassa dimensionalità per la discriminazione e classificazione di campioni (e.g. sano/malato, responder/not-responder, ecc.) è un problema di fondamentale importanza, ad esempio per la messa a punto di strategie terapeutiche personalizzate per specifici sottogruppi di pazienti attraverso la realizzazione di kit diagnostici per l’analisi di profili di espressione applicabili su larga scala. L’analisi effettuata in questa tesi su vari tipi di dati reali mostra che il metodo proposto, anche in confronto ad altri metodi esistenti basati o me- no sull’approccio a network, fornisce performance ottime, tenendo conto del fatto che il metodo produce signature con elevate performance di classifica- zione e contemporaneamente mantenendo molto ridotto il numero di variabili utilizzate per questo scopo.

Progettazione e realizzazione di una soluzione ORM Multi Database con NHIbernate

Esplicazione documentata del processo di progettazione e sviluppo di una libreria in grado di comunicare in maniera standard con 8 diversi database, sia a livello di query SQL che a livello di ORM transazionale, con opportuni richiami di ingegneria del software

La risposta cellulare ai diversi tipi di radiazione tramite espressione genica e radiobiologia sistemica

Questo progetto ha confrontato gli effetti indotti da diversi tipi di radiazioni, diversa intensità delle dosi, diverso rateo di dose su sistemi cellulari differenti. In particolare sono stati seguiti due studi differenti, finalizzati all’indagine degli effetti e dei meccanismi indotti da trattamenti radioterapici su cellule in coltura. Nel primo studio -EXCALIBUR- sono stati investigati i meccanismi di induzione e trasmissione del danno a basse dosi di radiazioni, in funzione della qualità della radiazione (raggi gamma e protoni) e della dose. Cellule di glioblastoma umano (T98G) sono state irraggiate con raggi gamma e protoni a due diverse dosi (0,25 Gy e 2 Gy); in questo studio è stata valutata e analizzata la variazione di espressione genica rilevata utilizzando la tecnologia dei microarray. Per mezzo dell’analisi statistica, con due software diversi, si è osservato come nelle cellule irraggiate si attivino i geni legati alla senescenza cellulare; questo risultato è significativo, visto che potrebbe rappresentare una prospettiva terapeutica interessante per molte neoplasie. Il secondo studio –Plasma Focus- ha lo scopo di ampliare le applicazioni nel settore medicale di una sorgente radiante che produce raggi X ad altissimo rateo di dose (plasma focus). In questo studio, l’attenzione è stata posta sulla preparazione dei campioni biologici per l’irraggiamento. Cellule di adenocarcinoma mammario (MCF7) sono state coltivate in laboratorio e posizionate all’interno di appositi portacampioni pronte per essere irraggiate con raggi X ad alto e a basso rateo di dose. Per mezzo della microscopia ottica e della citometria a flusso in fluorescenza, si è osservato come un rateo di dose elevato provochi danni cellulari superiori. L’analisi quantitativa ha mostrato che, nelle cellule trattate con il plasma focus, il 18% risulti danneggiato rispetto al 7% delle cellule di controllo; con i raggi X convenzionali risulta danneggiato l'8% di cellule, rispetto al 3% delle cellule di controllo.

Ricerca, classificazione e archiviazione dei dati di elettrofisiologia cellulare cardiaca umana per l'identificazione di modelli matematici

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quindi quello di ricercare e archiviare tutti i dati sperimentali di correnti ioniche umane ventricolari presenti in letteratura fino ad oggi, per costruire uno strumento di facile utilizzo per chiunque abbia la necessità di sviluppare o validare modelli matematici di potenziale d’azione. Partendo da una fase iniziale di ricerca vera e propria degli articoli in letteratura, utilizzando il motore di ricerca PubMed come strumento principale, sono stati estratti e archiviati tutti i dati di interesse, divisi per tipo di corrente, memorizzando le informazioni principali in un foglio di lavoro e salvando i dati sia come immagini che come vettori, per consentirne in futuro una rapida consultazione e un facile utilizzo.

Struttura filogenetica della comunità batterica associata ad Ostreopsis cf. Ovata in colture batch e dinamiche di crescita

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

Struttura di età di nasello (Merluccius merluccius, Linnaeus, 1758) in alto-medio Adriatico mediante analisi degli otoliti e frequenza di taglia

The aim of present study is to define the general framework of Merluccius merluccius population structure, to estimate the growth rate and to assess the recruitment dynamics of juveniles from Northern and Central Adriatic, through otoliths analysis. The otoliths of hake specimens collected during the MedITS trawl survey in the 2012 in GSA 17, were cleaned and 102 otoliths out of 506 were embedded, sectioned, grindined and polished to obtain frontal and sagittal sections. The whole sample were analysed under stereomicroscope and optical microscope, with camera and connected to PC provided of an image analyses program. The frequency analysis of size classes and age revealed that the species is dominated by hake with >200mm TL and > one year old. The fish average size of M. merluccius at the end of the first year of life is about 199 mm TL. Allometrics analyses between fish TL and Feret (major axis), MiniFeret (minor axis), Area, Perimeter, showed a direct proportionality among lengths. Among the 88 otoliths sections analysed, the number of daily increments read ranged from 86 to 206, within 55 and 175mm TL range. The age estimate ranged from about 2-3 to 9 months and the growth rate from 20.99 to 27.15mm TL. The hatch-date distribution, obtained by back calculation, showed that the hatching occurs in November-March. In conclusion, strong preventive measures are needed for hake adults because the success of this species seems to be linked to deep water ecosystem protection where big spawners dwell.

Caratteristiche morfologiche della retina nei Cetacei

Le caratteristiche strutturali dell’occhio dei Cetacei sono state in passato oggetto di studio. Tuttavia, i dati relativi alla stratigrafia della retina ed alle caratteristiche morfologiche dei neuroni gangliari in essa presenti sono piuttosto ridotti; per questo motivo, l’obiettivo della presente ricerca è stato quello di studiare, mediante metodiche di immunoistochimica, l’uso della microscopia ottica e di opportuni software di analisi immagine, le caratteristiche morfologiche della retina e delle cellule gangliari in essa presenti in differenti specie di Cetacei. Per la presente ricerca sono stati utilizzate come specie di riferimento i seguenti Delfinidi: tursiope (Tursiops truncatus) e stenella striata (Stenella coeruleoalba). Le analisi sulle sezioni interessano l’area, la densità dei neuroni gangliari, la stratigrafia della retina e l’analisi morfometrica degli strati e dei neuroni. I risultati ottenuti indicano come la retina del tursiope e della stenella striata, nonostante un'organizzazione di base assai simile a quella degli altri Mammiferi, mostri caratteristiche qualitative sue proprie. Gli strati retinici sono quelli che si osservano in tutti i Mammiferi e lo spessore totale della retina è, nel tursiope (101,23 µm ) e nella stenella striata (108.35 µm ), pressochè simile ai Mammiferi terrestri (110-220 µm). Nell'ambito della retina, lo strato che presento lo spesso medio maggiore è quello dei granuli interni (SNE); tale dato non coincide con quanto osservato in altri Mammiferi. I neuroni gangliari presenti nella retina di tursiope e stenella striata mostrano, analogamente a quanto osservato in altri Cetacei, una bassa densità cellulare. Nel tursiope e nella stenella striata le aree a maggiore densità cellulare presentano neuroni multipolari di dimensioni minori rispetto a quelle con bassa densità. Questo dato potrebbe indicare una "cellularità" (quantità di superficie occupata da cellule) costante nei differenti distretti retinici. I neuroni gangliari presenti nella retina di tursiope e stenella striata sono disposti in un unico strato, come osservato in numerosi altri Cetacei, ma differisce da quanto osservato nel capodoglio (Physeter macrocephalus) dove tali cellule si dispongono in strati multipli. Neuroni gangliari di grandi dimensioni sono stati osservati sia nel tursiope che nella stenella striata. Tale dato coincide con quanto osservato in altri Odontoceti ed in alcuni Misticeti. Allo stato attuale non è ancora stato dato un chiaro significato funzionale alle cellule gangliari giganti. Un possibile ruolo potrebbe essere quello di condurre, in animali di grossa mole, l'impulso nervoso molto velocemente, grazie alla presenza di un assone provvisto di un diametro notevole. Tale interpretazione non è da tutti accettata in quanto Mammiferi terrestri di grandi dimensioni non presentano nella loro retina neuroni gangliari giganti.

Regolazione dell'attivita dei trasportatori MXR nel mitilo (Mytilus galloprovincialis)

L’elevato consumo e il limitato tasso di rimozione dei farmaci favoriscono l’entrata di questi composti, biologicamente attivi, nell’ambiente acquatico. Essendo continuamente aggiunti, più velocemente di quanto si degradino, tali sostanze diventano pseudo-persistenti nell’ambiente, e gli organismi acquatici possono risultarne esposti a lungo termine. Per limitare gli effetti avversi di ambienti inquinanti, gli organismi più resistenti hanno sviluppato vari meccanismi di protezione cellulare, fra cui il sistema denominato Multixenobiotic resistance (MXR). Tale meccanismo agisce da sistema di detossificazione attraverso l’azione di specifici trasportatori transmembrana quali la P-glicoproteina (Pgp) e la Multidrug Resistance-associated Protein (MRP). Questi, codificati rispettivamente dai prodotti genici ABCB e ABCC, favorendo l’efflusso attivo di composti tossici, prevengono il loro accumulo cellulare e, dunque, i loro potenziali effetti dannosi. Tuttavia, alcune sostanze possono influenzare questo delicato meccanismo, esponendo gli organismi acquatici agli effetti tossici degli inquinanti. In questo lavoro di Tesi è stato condotto uno studio sperimentale in vitro volto a determinare i possibili effetti dell’antidepressivo fluoxetina (FX), dell’antiepilettico carbamazepina (CBZ) e del β-bloccante propranololo (PROP) sul meccanismo MXR, in emociti di Mytilus galloprovincialis. In particolare si è valutata l’azione di questi farmaci sulla funzionalità dei trasportatori e/o sulla modulazione trascrizionale. I risultati ottenuti hanno dimostrato l’importante effetto del PROP, della CBZ e della FX sul sistema MXR. In particolare, il PROP e la CBZ alterano tale sistema, agendo, principalmente, sui livelli di espressione del prodotto genico ABCB, nonostante influenzino anche i livelli di ABCC. La FX, invece, non porta ad alterazioni dell’attività MXR totale, sebbene induca variazioni sui livelli di espressione di ABCB. In conclusione, le analisi dei profili trascrizionali dimostrano che la proteina predominante nell’efflusso di tali contaminanti negli emociti di M. galloprovincialis è la P-glicoproteina e che le variazioni dell’attività MXR osservate in questa Tesi sono il risultato combinato dell’azione dei farmaci analizzati come modulatori trascrizionali e come substrati da parte dei trasportatori MXR.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Studio del network metabolico umano: modelli e applicazioni.

Il lavoro di tesi si basa sull'analisi del database pubblico ReconX, il quale costituisce lo stato dell'arte della ricostruzione in silico del metabolismo umano. Il modello che se ne può estrarre è stato impiegato per simulazioni di metabolismo cellulare in condizioni di ossigeno variabile, valutando l'impatto della carenza di ossigeno sulle reazioni e su i pathways metabolici. Le tecniche impiegate appartengono alla systems biology e sono di tipo bioinformatico e riguardano flux balance analysis e flux variability analysis. I risultati trovati vengono quindi confrontati con la letteratura di settore. E' stato inoltre possibile estrarre dei sotto network dal modello principale, analizzando la rete di connessioni esistente fra i metaboliti e fra le reazioni separatamente. Viene estratto e studiato anche il network di interazione fra pathways, su cui è introdotta una misura ad hoc per valutare la forza di connessione fra i vari processi. Su quest'ultimo network viene anche effettuata un'analisi di tipo stocastico, mostrando che tecniche di tipo markoviano possono essere applicate per indagini diverse da quelle più in uso basate sui flussi. Infine viene mostrata una possibile soluzione per visualizzare graficamente i network metabolici così costituiti.

Mongodb tra i database non relazionali - focus su Map-Reduce e gestione della memoria

Panoramica delle caratteristiche dei database NoSQL, con dettaglio su MongoDB: filosofia di progettazione, modello dei dati, indicizzazione, algoritmo Map-Reduce e gestione della memoria.

Progettazione di database con Mysql e MongoDB: analisi di prestazioni su un caso di studio

Analisi di prestazioni di un database costruito con MongoDB e uno con Mysql residenti su due macchine virtuali uguali configurate appositamente per i test di inserimento, interrogazione e eliminazione.

Biologia ed ecologia dello squalo di profondità Dalatias licha (Bonnaterre, 1788)

La presente tesi vuole colmare le conoscenze biologiche ed ecologiche dello squalo di profondità Dalatias licha. Attualmente le conoscenze riguardanti le popolazioni di questo squalo nel Mediterraneo sono scarse dato il numero limitato di studi affrontati. La biologia e l’ecologia di questo squalo è stata studiata attraverso la stima di alcune caratteristiche importanti come la sex ratio, la maturità sessuale degli individui, gli indici di condizione (epatosomatico e gonadosomatico) e le analisi dei contenuti stomacali. I 78 esemplari (16 femmine e 62 maschi) osservati sono stati campionati tra il 2001 e il 2003 dal bycatch di motopescherecci a strascico della marineria di Genova porto, operanti sul piano batiale del Golfo di Genova (Mar Ligure). Le catture sono state eseguite ad una batimetria compresa tra -450 e -800 m, tra Genova e Sestri Levante. I risultati, sebbene basati su un numero limitato di individui, sono di particolare interesse visto il deficit conoscitivo inerente a questa specie in ambito nazionale e mediterraneo

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.

Terminologia accademico-istituzionale in inglese lingua franca: Revisione del database terminologico dell'università di Bologna.

Il presente lavoro rientra nella cornice dei progetti volti ad agevolare la traduzione e produzione da parte delle Università italiane di contenuti online e documentazione ufficiale anche in ELF, in modo da renderli più facilmente accessibili a livello internazionale. Uno strumento utile a questo scopo, di cui molte università si stanno dotando, è un supporto terminologico relativo al dominio accademico-istituzionale. Questo elaborato si suddivide in sei capitoli. Il primo capitolo, di introduzione, è seguito dal capitolo 2, che presenta la terminologia come disciplina, offre una descrizione dei concetti della terminologia classica rilevanti per il lavoro, seguita da una panoramica degli strumenti di sistematizzazione della conoscenza utilizzati. Il capitolo 3 introduce il processo europeo di riforma dei sistemi di istruzione superiore, che ha motivato la creazione da parte di diverse università europee di strumenti di gestione della terminologia accademico-istituzionale. Vengono anche illustrate alcune Banche Dati terminologiche reperite presso altre università europee. Segue l’analisi dei progetti avviati dall’Università di Bologna, in particolare della Banca Dati di terminologia riferita alla Didattica e all’Organizzazione dell’Ateneo creata dall’Ufficio Relazioni Internazionali. All’interno del capitolo 4 viene descritto il lavoro di analisi delle fonti utilizzate durante la creazione della Banca Dati. Il capitolo 5 introduce le fonti aggiuntive utilizzate nel processo di revisione e compilazione, ovvero i corpora specialistici di dominio accademico-istituzionale, e descrive il processo di analisi metodologica e le modifiche strutturali implementate sulla Banca Dati originale, per poi illustrare le modalità di ricerca e di compilazione dei campi della Banca Dati. L’ultimo capitolo descrive la Banca Dati finale, riassumendo brevemente i risultati del lavoro svolto e presentando la proposta del metodo di assegnazione della tipologia di scheda terminologica a ciascun termine in base alle sue caratteristiche funzionali come punto di riferimento per la successiva compilazione delle restanti sezioni della Banca Dati.