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Tecniche per Applicazioni Biomediche

Tecniche Avanzate per Applicazioni Biomediche

Il Progetto Strategico Tecniche Avanzate per Applicazioni Biomediche si articola in otto Progetti Interdisciplinari componenti:

i) T-MENS – Tecniche di Risonanza Magnetica Funzionale del Cervello;

ii) PAMINA – Piattaforma per l'Analisi Multimediale Integrata in Neuroscienze Applicate;

iii) MICROBRADAM – Risonanza Magnetica per lo Studio delle Microlesioni del Cervello;

iv) Imaging Dosimetrico per Adroterapia;

v) MONDO – Monitor for Neutron Dose in Hadrontherapy;

vi) Tecnologie Fotoniche per Biomedicina;

vii) Sensori di Potassio e Regolatori Oncogenici;

viii) Microcircuiti Neuronali Locali.

 

Nel quadro delle Tecnologie per le Neuroscienze, il Progetto T-MENS – Tecniche di Risonanza Magnetica Funzionale del Cervello ha come obiettivo di sviluppare le tecnologie di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) di interesse biomedico e le relative metodiche di analisi, e di applicarle allo studio di funzione e patologie del sistema nervoso centrale. Tali obiettivi vengono perseguiti in tre settori principali: 

a) caratterizzazione della dinamica metabolica cerebrale finalizzata allo studio e alla comprensione dell'energetica cerebrale e delle patologie correlate; 

b) studio dei networks funzionali per migliorare la comprensione della plasticità cerebrale anche in seguito a eventi patologici; 

c) Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) del midollo spinale al fine di rendere disponibili nuove metodiche diagnostiche per diverse patologie neurodegenerative e traumatiche.

Researcher test

Strettamente legata a questa attività è anche quella del Progetto PAMINA – Piattaforma per l'Analisi Multimediale Integrata in Neuroscienze Applicate, un Progetto infrastrutturale finanziato dalla Regione Lazio. PAMINA vuole sviluppare una piattaforma che fornisca un insieme organico di strumenti informatici atti a integrare strumentazione NMR (anche remota) per neuroimagini con una repository intelligente, con l'obiettivo di fornire uno strumento flessibile per la gestione, il consolidamento e il processamento dei dati. In prospettiva, l'infrastruttura potrà facilitare la cooperazione e la trasmissione di conoscenze tra ricercatori di base, ricercatori clinici e personale medico sanitario.

Infine, ancora in questo ambito, il Progetto MICROBRADAM – Risonanza Magnetica per lo Studio delle Microlesioni del Cervello, Progetto finanziato dalla Comunità Europea nel programma H2020, si propone di espandere le tecniche NMR per la caratterizzazione del danno microstrutturale in patologie neurologiche. In particolare, il Progetto vuole determinare la sensibilità e specificità di tecniche basate sul RAFF (Relaxation Along a Fictitious Field in the rotating frame), da sole o con altre tecniche NMR. A tal fine, obiettivo primario è stabilire le potenzialità della tecnica nel determinare il contenuto mielinico nel cervello di topo (confrontando i risultati con il dato istologico). Secondariamente il Progetto si propone di verificare la sensibilità della tecnica a processi di graduale demielinizzazione e rimielinizzazione in modello animale. In una terza fase, l'obiettivo sarà di estendere all'uomo i risultati ottenuti sul cervello di topo.

Nel quadro della ricerche in Adroterapia, prima componente è il Progetto Imaging Dosimetrico per Adroterapia. L'Adroterapia è una tecnica innovativa che utilizza fasci di particelle cariche accelerate (protoni o ioni) per il trattamento del cancro. Le caratteristiche principali sono un'elevata precisione nell'irradiazione e un'alta capacità distruttiva del tumore, risparmiando i tessuti sani circostanti. Tale selettività spaziale richiede un miglioramento delle tecniche del monitoraggio del rilascio di dose nel paziente. Poiché in adroterapia il fascio è contenuto completamente all'interno del paziente, qualsiasi tecnica di monitoraggio deve basarsi sull'utilizzo di particelle secondarie prodotte dal fascio che escono del paziente e sono stati proposti, per i fasci di protoni o ioni di carbonio, metodi che utilizzano fotoni. Il Progetto è finalizzato alla realizzazione di un "dose profiler" sfruttando la relazione che lega la regione di massimo rilascio della dose (picco di Bragg) e la distribuzione dei punti di emissione di particelle cariche prodotte nei trattamenti.

Seconda componente è il Progetto MONDO – Monitor for Neutron Dose in Hadrontherapy, approvato nel 2015 nell'ambito del bando MIUR-SIR con durata di tre anni, che costituisce un'integrazione e uno sviluppo del Progetto appena descritto. Durante i trattamenti di terapia con particelle (PT) vengono prodotti molti secondari: particelle cariche (principalmente protoni), fotoni e neutroni. I neutroni sono tra i principali responsabili del rilascio di dose secondaria indesiderata in organi anche molto lontani da quello in trattamento: tale fenomeno può essere messo in relazione con l'incidenza di neoplasie secondarie (SMN). Il Progetto prevede lo sviluppo di un rivelatore per i neutroni nella sala di trattamento. Una maggiore conoscenza delle loro caratteristiche aiuterebbe lo sviluppo dei piani di trattamento, permettendo di estendere la PT anche a casi pediatrici dove l'incidenza di SMN è un parametro fondamentale per il successo del trattamento.

MONDO

Nel Progetto Strategico dedicato alle Tecniche Avanzate per Applicazioni Biomediche, figura poi il Progetto Tecnologie Fotoniche per Biomedicina , orientato alla realizzazione di dispositivi ottici per lo sviluppo di sensori ultrasensibili per la rivelazione di molecole biologiche che evidenzino patologie per le quali una diagnosi precoce aumenta in modo significativo le speranze di guarigione del paziente. L'attenzione è focalizzata sulla rivelazione di marcatori per la sepsi mediante microcavità ottiche a modi di galleria e sistemi colloidali metallo dielettrici. L'idea è di utilizzare strutture ottiche risonanti a microbolla che, permettendo una interazione forte fra il campo ottico e l'analita che circola all'interno della bolla, costituiscono sensori molto sensibili. E' stata ottimizzata la tecnica di fabbricazione delle microbolle e messa a punto una tecnica di microscopia confocale per la misura dello spessore della parete della microbolla, un dato molto importante per l'efficienza dell'interazione ai fini della caratterizzazione del sensore stesso. Nell'ambito del Progetto vengono anche realizzati sistemi metallo-dielettrici disordinati attivando le sospensioni colloidali iniziali con appropriati quantitativi di elettroliti e di particelle metalliche. La potenzialità di questi sistemi è verificata mediante misure microRaman, utilizzando come molecola di test il benzenetiolo e confrontando la loro funzionalità con substrati SERS (Surface Enhanced Raman Scattering).

Il Progetto Sensori di Potassio e Regolatori Oncogenici intende identificare nuovi target di danno da radiazioni ionizzanti (RI), quali la membrana e il citoscheletro. L'usuale target molecolare di danno da RI è il DNA. Nel caso di tumore alla mammella, i comuni protocolli terapeutici prevedono l'irraggiamento a carico del tessuto non tumorale, essendo la radioterapia successiva all'asportazione della massa tumorale. Il Progetto ha dimostrato, tramite la messa a punto del parametro MDI (Modified Direction Index), la presenza di un danno alla membrana di cellule non tumorali mammarie umane, a seguito di dosi da 4 Gy con raggi X, ma non al citoscheletro. Obiettivo del Progetto è la validazione del parametro MDI per quantificare il danno a diverse dosi e con diversi tipi di radiazioni.

Il Progetto Microcircuiti Neuronali Locali  si riferisce allo studio delle basi dei segnali funzionali di risonanza magnetica nei microcircuiti neuronali locali. Nel sistema nervoso, l'attività dei neuroni trasforma l'energia metabolica in segnali elettrici (potenziali sinaptici e potenziali d'azione) in grado codificare l'informazione e trasferirla attraverso i microcircuiti neuronali. L'attività neurale si traduce infine in una spesa metabolica che si riflette in una modifica del flusso ematico e desaturazione locale dell'emoglobina. Queste modifiche del flusso ematico e dello stato Redox dell'emoglobina si riflettono nel segnale BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) rilevabile mediante tecniche di NMR. L'analisi del segnale BOLD sta radicalmente modificando la comprensione delle funzioni cerebrali nell'uomo in vivo. Tuttavia, la relazione tra segale BOLD e gli schemi di attività neuronale rimane da chiarire. Scopo del Progetto è lo studio dei meccanismi generatori dei segnali BOLD a livello dei microcircuiti neuronali del sistema nervoso centrale. A tale scopo vengono studiate le determinanti cellulari dell'accoppiamento neurovascolare (NVC, NeuroVascular Coupling) in risposta a specifici schemi di attività neuronale (NA), anche usando modelli matematici del microcircuito cerebellare per predire come vari tipi di NA possono modificare NVC.

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