Academic literature on the topic 'Meccanica della cellula'

La riflessione etica sulla ricerca biomedica si pone in un contesto ben definito: da un parte, l’accettazione dell’inevitabile coinvolgimento di soggetti umani; dall’altra, il riconoscimento della singolare preziosità del soggetto di studio e, di conseguenza, l’atteggiamento etico di rispetto e di responsabilità da parte del ricercatore. Su questa base, la ricerca dovrebbe procedere secondo un binomio inscindibile che pone su un piano egualitario sia la crescita qualitativa e quantitativa della conoscenza dell’uomo che la finalizzazione di tale progresso al servizio dell’uomo stesso. È proprio questa finalità bidimensionale che conferisce alla ricerca una portata virtuosa che trascende il carattere molte volte meccanico del metodo sperimentale. Il recente dibattito sulla clonazione terapeutica finalizzata all’ottenimento di cellule staminali si è focalizzato principalmente sui risultati che si spera di raggiungere in un futuro non prossimo. In questo modo, tuttavia, si è lasciato in ombra la questione fondamentale del senso di tale ricerca qua talis. La prevedibile debolezza degli argomenti addotti a favore della clonazione sembra essere anche una conseguenza di tale imperdonabile omissione.

All’interno della cornice clinica di un caso di psicosi schizofrenica alle prese con il lockdown, si introducono alcune destabilizzanti scoperte della meccanica quantistica e i suoi risvolti nelle neuroscienze e nella psicoanalisi. Attraverso la logica frattale, si tenta di comprendere da un lato il rapporto tra fenomeni microscopici e processi macroscopici della psiche e dall’altro come cambia l’idea della realtà attraverso le leggi controintuitive della fisica moderna. In tal modo si arriva a parlare dell’inconscio come una funzione d’onda in grado di processare in parallelo e simultaneamente, innumerevoli variabili che si sovrappongono tra loro, di cui poi solo quella ritenuta più adattiva nel rapporto con l’ambiente viene eletta sul piano cosciente. La complessità del fenomeno della coscienza è qui studiata sia nell’interdipendenza tra processi immateriali (campi energetici) e materiali (biochimica cellulare), che nella sua indeterminatezza e non linearità quando il contesto di riferimento muta drasticamente.

2007/2008
La tesi qui presentata riguarda la meccanica delle cellule. Negli ultimi anni l’interesse della comunità scientifica è stato rivolto a questo aspetto della biologia cellulare, perché, com’è stato dimostrato, all’interno della cellula stimoli meccanici e segnali biochimici sono strettamente correlati, ma ancora non è chiaro il meccanismo che li lega. Le tecniche disponibili si suddividono in due grandi categorie in base al numero di cellule analizzate, ovvero si differenziano in base allo studio su una popolazione cellulare o su singola cellula. Dopo un’attenta analisi delle metodologie disponibili, si è deciso di sviluppare due nuovi metodi. Il primo riguarda la deformazione di un gel poliacrilammidico su cui sono state depositate delle particelle fluorescenti. Questo metodo trae ispirazione dalla deformazione di substrati e dalla traction force microscopy, ovvero dallo studio dello spostamento delle particelle dovuto alla presenza della cellula è possibile ottenere informazioni sulle forze applicate da quest’ultima. Un nuovo dispositivo è stato realizzato ed ha permesso di tirare il gel e quindi deformare una singola cellula e di studiare la risposta alla deformazione. In parallelo a questi studi caratterizzati dall’impiego di un substrato continuo e macroscopico, si è deciso di sviluppare un nuovo dispositivo microelettromeccanico (MEMS), in cui l’aspetto più innovativo è la presenza sullo stesso dispositivo di attuatori, deputati alla deformazione della cellula, e di sensori, che permettono di leggere le componenti della forza esercitata dalla cellula in risposta alla deformazione esercitata con gli attuatori. Per entrambe queste componenti si è scelta la struttura del comb drive. Tale dispositivo è stato progettato seguendo i vincoli costruttivi della tecnologia SOIMUMPs®, che realizza dispositivi MEMS con tecnologia SOI, una delle più adatte allo studio cellulare. Sono state effettuate delle simulazioni agli elementi finiti, in particolare del sensore, in modo da poter valutare la sensibilità, che risulta essere dell’ordine dei µN. Durante la progettazione di questo dispositivo, è sorto il problema del posizionamento della cellula al centro del MEMS. La soluzione arriva dalla localizzazione di spot di proteine, che creano punti di ancoraggio per la cellula. In letteratura sono presenti alcuni lavori sul patterning di proteine, ma nessuno di questi soddisfa i vincoli imposti da un dispositivo tridimensionale quale il MEMS progettato. Un nuovo utilizzo di uno spettroscopio per microraman è stato sviluppato nell’ambito della litografia maskless. Tale tecnica permette di realizzare substrati patternati con risoluzione submicrometrica senza il vincolo di superfici piatte e la presenza di una maschera. Tale tecnica è stata utilizzata per depositare spot di proteine. Sono state testate positivamente la resistenza della fibronectina al processo litografico e la compatibilità di quest’ultima alle cellule dopo il trattamento della litografia. Il risultato finale è stata la realizzazione di spot proteici con geometrie definite dall’utente e dimensioni paragonabili a quelle dei complessi cellulari per l’adesione (focal adhesion).
The subject of this thesis is the mechanics of cell. Recent studies demonstrate that mechanical stimuli and biochemical signals are strictly interconnected in the cell, but these phenomena are not completely understood. Different techniques are available to study the mechanics of cell. They differ for the number of cells analyzed, from cells population to single cell techniques. After an exhaustive analysis of these available methods, two new techniques have been developed. The first one is a combination of substrate deformation and the traction force microscopy. By pulling a polyacrylamide gel, it is possible to obtain information about cell forces, looking at the displacement of fluorescent beads deposited on top of the gel. A new device has been devised and realized and the gel pulled. This technique permits to obtain information on the deformation of a single cell. While this project is characterized by a continuous and macroscopic substrate, a new microscopic device has also been developed. A micro electromechanical system (MEMS) is investigated. The most innovative aspect of the device is the introduction, on the same device, of actuators, which provide cell deformation, and sensors, which permit to read the cell response to the deformation. Both sensors and actuators present a comb drive structure. This new device follows the design rules of the SOIMUMPs® technique; this company provides MEMS device with SOI technology, suitable for the application here presented. The sensor and the actuator have been simulated by finite elements analysis, to evaluate the displacement and the sensitivity, that is in the range of µN. During the development of the MEMS, the problem of cell positioning in the center of the device arose. A solution can be found in the protein patterning. Proteins spots are the connection points between the cell and the substrate. Previous investigations present protein patterning methods, but none of them are suitable for the three dimensional structure of the MEMS and non-flat surfaces. Maskless lithography has been implemented with a Raman spectroscopy microprobe. This technique enables one to deposit proteins on three dimensional structures, such as the MEMS here developed. Tests on fibronectin resistance to the lithographic process and its compatibility with cells have been performed. The final result is proteins spots with geometries defined by the operator and dimensions similar to focal adhesion complex.
XXI Ciclo
1980

I tumori sono tessuti complessi in cui le cellule tumorali coesistono insieme a varie cellule del tessuto circostante creando un microambiente molto sofisticato. Il microambiente tumorale è infatti un tessuto composto da cellule tumorali, cellule immunitarie, fibroblasti, cellule adipose, macrofagi, cellule endoteliali e dalla matrice extracellulare (ECM). L’ECM è formata da una complessa rete proteica, come collagene, laminina, fibronectina, proteoglicani e polisaccaridi non proteoglicani. Questa rete fornisce un sostegno fisico per le cellule, è anche deputata all’idratazione del tessuto, funge da serbatoio di fattori solubili, e supporta e trasduce le forze meccaniche che influenzano e regolano la crescita del tumore. I cambiamenti nella meccanica cellulare e tissutale sono tra i segni distintivi del cancro. Tuttavia, è meno chiaro come l'irrigidimento dei tessuti sia correlato all'evoluzione del tumore. Il recettore del fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGFR2) è frequentemente disregolato nei tumori, con conseguente segnalazione intracellulare aberrante, metabolismo alterato, aumento della proliferazione cellulare e prognosi infausta. Qui abbiamo studiato il meccanismo con cui la sostituzione inattivante R1032Q, la più frequente mutazione non sinonimo di VEGFR2, promuove la crescita del tumore. Sebbene la sostituzione R1032Q comporti la perdita dell’attività chinasica del recettore, il VEGFR2R1032Q “inattivo” conferisce un vantaggio di crescita selettiva alle cellule tumorali. Infatti, in un modello di melanoma esprimente la mutazione R1032Q in eterozigosi con il recettore WT, VEGFR2R1032Q aumenta la proliferazione cellulare, la crescita e la capacità metastatica del tumore. La nostra analisi ha mostrato che VEGFR2R1032Q mutato forma eterodimeri funzionali con VEGFR2WT aumentando la segnalazione intracellulare associata a VEGFR2 in assenza di stimolazione esogena con VEGF-A. Inoltre l’analisi dei tumori derivati dall’inoculo del modello isogenico di melanoma nel sottocute di topo ha evidenziato che la capacità pro-oncogenica del mutante R1032Q è dovuta, almeno in parte, al rimodellamento della ECM e da una maggiore vascolarizzazione. Attraverso diverse tecniche di imaging mostriamo che i tumori esprimenti la mutazione hanno una diversa organizzazione della ECM rispetto ai tumori esprimenti il recettore WT, con fasci di matrice più abbondanti ma meno direzionati. Per capire se la riorganizzazione della matrice influisca sulla vascolarizzazione del tumore, abbiamo studiato come le matrici prodotte dalle cellule Sk-Mel-31 modulano il comportamento delle cellule endoteliali (EC) in vitro. Ancora, mediante tecniche di microscopia avanzata (alta risoluzione, FLIM/FRET), abbiamo evidenziato che la matrice decellularizzata (dECM) prodotta dalle cellule esprimenti VEGFR2R1032Q favorisce l'adesione delle EC modulando sia il numero di placche di adesione focale che le forze meccaniche intracellulari da queste mediate. L’adesione su dECM prodotte da cellule esprimenti VEGFR2R1032Q promuove uno switch verso un fenotipo angiogenico, l’alterazione del metabolismo cellulare e la transizione verso un fenotipo più mesenchimale, compatibile con le caratteristiche di aumentata motilità cellulare dimostrata con esperimenti di migrazione. In conclusione, i nostri dati suggeriscono che la ECM prodotta da cellule esprimenti VEGFR2R1032Q può alterare il comportamento delle EC inducendo un fenotipo pro-adesivo e pro-migratorio che potrebbe promuovere l'aggressività e la metastasi dei tumori che ospitano questa mutazione.
Malignant tumor cells recruit normal cells from surrounding tissue, creating a sophisticated microenvironment composed of tumor cells, immune cells, fibroblasts, adipocytes, macrophages, endothelial cells (ECs), and the extracellular matrix (ECM). Besides being a reservoir of soluble factors, the ECM provides cells with a physical scaffold and has a dynamic role in the evolution and spread of cancers. The ECM consists of a complex fibrous protein network (including collagen, laminin, and fibronectin), proteoglycans, and non-proteoglycan polysaccharides. The ensemble of molecular composition and stiffness of ECM supports and transduces mechanical forces to both tumor and stromal cells, regulating tumor growth and homeostasis. Abundant and aberrant ECM proteins have been associated with poor prognosis and reduced response to therapy. Moreover, the ECM is also subjected to a continuous cycle of deposition and remodeling from cancer cells and tumor-associated stromal cells, creating a cancer-supporting matrix. However, it is less clear how tissue stiffening relates to tumor evolution. The vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2) is commonly dysregulated in cancer, resulting in aberrant intracellular signaling, altered metabolism, increased cell proliferation, and poor prognosis. Here we investigated how R1032Q, the most frequent non-synonymous inactivating mutation of VEGFR2, promotes tumor growth. Although the R1032Q substitution entails a loss of receptor function, the “inactive” VEGFR2R1032Q confers a selective growth advantage to cancer cells. Indeed, in a melanoma model with heterozygous R1032Q mutation of VEGFR2, VEGFR2R1032Q increases cell proliferation, tumor growth, and metastasis. Our analysis showed that mutated VEGFR2R1032Q forms functional heterodimers with wild-type VEGFR2 increasing the VEGFR2-associated intracellular signaling without exogenous VEGF-A stimulation. Also, we show that the expression of the VEGFR2R1032Q mutant in Sk-Mel-31 melanoma cells results in fast growth and highly vascularized tumors when injected s.c.in mice. Furthermore, label-free SHG imaging highlights that tumors harboring VEGFR2R1032Q have a highly modified ECM organization with directed matrix bundles formed compared with VEGFR2WT tumors. In vitro experiments demonstrated that decellularized ECM (dECM) produced by VEGFR2R1032Q Sk-Mel-31 favors the adhesion of EC, increasing the number of focal adhesion plaques. Functional analysis, using the FRET-based VinTS tensor mechanosensor, reveals higher tensile forces generated in FA plaques in ECs seeded on dECM of Sk-Mel-31 VEGFR2R1032Q compared with ECs plated on dECM of Sk-Mel-31 VEGFR2WT. dECM of VEGFR2R1032Q Sk-Mel-31 also promotes EC migration and wound repair and induces relevant metabolic changes. In conclusion, our data suggest that ECM produced by VEGFR2R1032Q Sk-Mel-31 can alter EC behavior inducing a pro-adhesive and pro-migratory phenotype that might promote aggressiveness and metastasization of tumors harboring this mutation.

Secondo il rapporto "Global Cancer Statistics 2020", prodotto dall'American Cancer Society (ACS) e dall'International Agency for Research on Cancer (IARC), a livello globale, una persona su cinque sviluppa un tumore nel corso della propria vita. In particolare, nel rapporto i dati analizzati sono relativi a 36 tipi di tumore in 185 Paesi del mondo. I nuovi casi di tumore nel mondo, nel 2020, sono stati circa 19,3 milioni, mentre i decessi circa 10 milioni. Per diversi anni, il tumore più frequentemente diagnosticato è stato il tumore del polmone, sostituito nel 2020 dal tumore del seno femminile; infatti, l’11,7% delle nuove diagnosi è costituito da casi di tumore mammario nelle donne, con 2,3 milioni di casi. Se si guarda la mortalità, invece, il tumore del polmone è al primo posto, con il 18% dei decessi per cancro; il tumore al seno femminile occupa il quinto posto, con il 6,9%. Anche in Italia il tumore al seno è il più diffuso, con il 14,6% dei casi totali. Il microambiente tumorale rappresenta l’ecosistema nel quale oltre alle cellule tumorali si considerano anche le cellule e i tessuti vicini alla massa cancerosa; in questo elaborato di tesi se ne esamina il ruolo nella crescita neoplastica, con particolare attenzione agli aspetti meccanici. In particolare, nell’elaborato si illustra uno studio condotto nel 2020 da Enriquez et al., che hanno realizzato un sistema di attuazione basato su un array di magneti permanenti per l’analisi dell’effetto delle sollecitazioni meccaniche sul metabolismo cellulare, la degradazione della matrice extracellulare e le variazioni morfologiche di tre linee cellulari di cancro alla mammella, in condizioni statiche o dinamiche.

La struttura cellulare osservata all’interno dei melt pool nell’AlSi10Mg, stampato tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF) è elemento fondamentale nel conferire alla lega le sue ottime proprietà resistenziali, di molto superiori a quelle ottenibili tramite processi convenzionali. Tale struttura è composta da celle di alluminio primario, attorniate da pareti ricche in silicio. La correlazione tra i parametri caratterizzanti la microstruttura e le proprietà meccaniche del materiale è oggetto di elevato interesse in letteratura e la sua valutazione è obiettivo centrale del presente lavoro di tesi. A tal scopo sono state eseguite prove di trazione di caratterizzazione meccanica su quattro set (da quattro provini), ciascuno stampato con parametri di lavoro differenti, ottenendo delle misure di tensione di snervamento, carico di rottura e allungamento percentuale a rottura. Si è cercato, inoltre, di applicare un modello, già impiegato su altre leghe, che consentisse di stimare l’integrità strutturale di ciascun set, permettendo di verificare quali parametri di stampa conducessero a un minor tenore di difetti. Utilizzando il software imageJ, si sono analizzate le micrografie, ottenute al microscopio elettronico a scansione, della struttura cellulare di due provini campione per set. Sviluppato un metodo d’analisi si sono caratterizzati i provini in base a parametri dimensionali (dimensione media) e morfologici (circolarità media) delle celle, nonché in base all’area occupata dalle pareti che circondano queste ultime. Si è operato, infine, un confronto tra i valori caratteristici della microstruttura e le proprietà meccaniche ottenute dalle prove di trazione, valutando singolarmente il contributo dell’affinamento delle celle, del rinforzo per soluzione solida e dell’eventuale influenza della forma delle celle sulle proprietà meccaniche.

Questo elaborato sviluppa le metodologie di analisi del processo produttivo adottate nell’ambito di una PMI e si propone di valutare la fattibilità economica della realizzazione di una cella di assemblaggio per motoriduttori. L’idea di realizzare una cella di assemblaggio nasce dalla volontà di ridurre le movimentazioni di materiale concentrando l’assemblaggio finale in un’area dedicata dello stabilimento. Vengono descritti i metodi di determinazione dei tempi di produzione e i parametri utilizzati per valutare l’efficienza dei processi produttivi. Sono esposti i principi del Lean Thinking con particolare attenzione alla loro applicazione in contesti PMI, della quale sono elencate le principali problematiche evidenziate in letteratura. Sono descritti l’attuale organizzazione dello stabilimento e il processo produttivo dei motoriduttori al fine di consentire una miglior comprensione degli aspetti critici del processo. Infine è utilizzato il metodo del VAN per valutare la convenienza economica dell’adozione di una cella di assemblaggio.

Allestimento di un banco prova e progettazione di una nuova cella di carico estensimetrica per determinare la resistenza meccanica di alcuni tipi di giunzione su componenti di condensatori. Segue un analisi statistica sui risultati ottenuti con esecuzione di analisi della varianza.

Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte nel mondo. Tra di queste, l'ischemia cardiaca ne determina quasi la metà. La manifestazione di questa cardiopatia avviene tipicamente in seguito a una progressiva ostruzione delle arterie coronarie (o coronaropatia) che ostacola il flusso di sangue al cuore e può condurre a infarto miocardico. Procedure di bypass aorto-coronarico sono il trattamento standard per i pazienti con malattia coronarica avanzata. In questo protocollo, una vena safena autologa viene di norma scelta come condotto sostitutivo di piccolo calibro (< 6 mm). Tuttavia, la vena risulta non disponibile in un’alta percentuale di pazienti, a causa di un precedente prelievo, di dimensioni troppo piccole o di varicosità. Un approccio basato sull’ingegneria dei tessuti biologici ha il potenziale per progettare e realizzare un vaso ibrido con proprietà simili ai vasi nativi e utilizzabile durante un bypass aorto-coronarico per promuovere la rivascolarizzazione miocardica. Nel caso di studio analizzato in questa tesi compilativa – un lavoro di ricerca scientifica recentemente (2020) pubblicato da Hodge e Quint - viene presentata una tecnica sempre più affermata nel campo dell’ingegneria dei tessuti vascolari, ovvero l’elettrofilatura. Uno scaffold di acido poliglicolico (PGA) elettrofilato viene qui seminato con fibroblasti dermici umani e quindi stimolato con un protocollo di sollecitazione meccanic circonferenziale da un sistema di perfusione pulsatile. Il costrutto ingegnerizzato è stato quindi caratterizzato in termini di istologia, produzione di collagene, densità reticolare, proprietà meccaniche in trazione uniassiale e pressione di scoppio. I risultati suggeriscono che le proprietà di uno scaffold elettrofilato, in combinazione con un sistema di coltura biomimetico, siano ideali per generare un costrutto ibrido adatto come innesto vascolare.