Dissertations / Theses on the topic 'MED/27 - NEUROCHIRURGIA'

Background. Brain retraction plays an important role in the cranial surgery, but the problems that can arise from excessive retraction are not negligible. The major limitation to the use of brain retractors is their high possibility of parenchyma’s damage: this becomes particularly evident in interventions of many hours that require a long-lasting spatulation. Possible lesions from cerebral retraction can include contusions, hematomas and haemorrhages that can also affect patient's outcome. Project Objectives. The first our goal was to study the instruments currently present for cerebral retraction by analysing their advantages and disadvantages. After this, the main objective was to create a new brain retraction tool and validate its use in cranial surgery. Another objective was to exploit endoscopic vision also in transcranial surgery designing work chambers perfectly suitable for introducing the endoscope easily while providing safe retraction for the surrounding brain. To achieve these results, it was therefore necessary to carry out an accurate preclinical phase study which also benefits from collaboration of a multidisciplinary team. Research activity and novelty of the project. The careful study of this topic, the anatomical and engineering laboratory tests, have made it possible to create new technological tools with many advantages in the neurosurgical field. The dynamic mechanical characterization of the brain allows to predict the mechanical behaviour of the human brain in health and disease also being able to foresee and possibly avoid complications for patients. Due to the continuous technological progress in the neurosurgery field, today the need to understand the correlation between the material structure and related viscoelastic properties is becoming ever more crucial also in order to develop design guidelines for the next generation of biomaterials, to match tissue and extra cellular matrix mechanics for in vitro tissue models and applications in regenerative medicine. Conclusions and future perspectives. The knowledge of the behaviour of the brain parenchyma in response to a compression force is therefore important in order to understand the mechanisms underlying the damage, the dangerous thresholds and therefore the possible prevention of brain complications. This last aspect was fundamental to be able to create new "intelligent" surgical instruments that operate safely. We therefore performed tests on preclinical model, on specimens and then also on animals; we finally studied the brain parenchyma from the histological point of view, documenting the visible damage of the cerebral retraction. These phases were essential to then proceed with clinical phase on patients: the next steps will be to test the prototyped spatula on patient in the surgical theatre and finish the last preclinical tests of the chamber. We also hope to file the patent for the new spatula by the end of this year.
Background. La retrazione cerebrale svolge un ruolo importante nella chirurgia cranica, ma i problemi che possono derivare da un'eccessiva retrazione non sono trascurabili. Il principale limite all'uso dei divaricatori cerebrali è la loro elevata possibilità di danno del parenchima: questo diventa particolarmente evidente negli interventi di tante ore che richiedono una retrazione di lunga durata. Possibili lesioni da retrazione cerebrale possono includere contusioni, ematomi ed emorragie che possono anche influenzare l’outcome del paziente. Obiettivi del progetto. Il primo nostro obiettivo era quello di studiare gli strumenti attualmente presenti per la retrazione cerebrale analizzandone vantaggi e svantaggi. Successivamente, l'obiettivo principale era creare un nuovo strumento di retrazione cerebrale e convalidarne l'uso nella chirurgia cranica. Un altro obiettivo era quello di sfruttare la visione endoscopica anche nella chirurgia transcranica progettando camere di lavoro perfettamente adatte per introdurre facilmente l'endoscopio fornendo al contempo una retrazione sicura per il cervello circostante. Per raggiungere questi risultati è stato quindi necessario condurre un accurato studio in fase preclinica con la collaborazione di un team multidisciplinare. Attività di ricerca e novità del progetto. L'attento studio di questo argomento, i test eseguiti in laboratorio di anatomia e di ingegneria, hanno permesso di creare nuovi strumenti tecnologici con molti vantaggi in campo neurochirurgico. La caratterizzazione meccanica dinamica del cervello permette di predire il comportamento meccanico del cervello umano sano e malato potendo anche prevedere ed eventualmente evitare complicanze per i pazienti. Grazie al progresso tecnologico nel campo della neurochirurgia, oggi la necessità di comprendere la correlazione tra la struttura del materiale e le relative proprietà viscoelastiche sta diventando sempre più cruciale anche al fine di sviluppare linee guida progettuali per la prossima generazione di biomateriali, per abbinare tessuti ed extra meccanica della matrice cellulare per modelli tissutali in vitro e applicazioni nella medicina rigenerativa. Conclusioni e prospettive future. La conoscenza del comportamento del parenchima cerebrale in risposta ad una forza di compressione è quindi importante per comprendere i meccanismi alla base del danno, le soglie pericolose e quindi la possibile prevenzione delle complicanze cerebrali. Quest'ultimo aspetto è stato fondamentale per poter realizzare nuovi strumenti chirurgici “intelligenti” che operino in sicurezza. Abbiamo quindi eseguito test su modellino preclinico, su cadavere e poi anche su animale; abbiamo infine studiato il parenchima cerebrale dal punto di vista istologico documentando il danno visibile causato dalla retrazione cerebrale. Questi steps sono stati fondamentali per poi procedere con la fase clinica sui pazienti: i prossimi passi saranno testare il prototipo della spatola sul paziente in sala operatoria e terminare gli ultimi test preclinici della camera. Confidiamo anche di depositare il brevetto per la nuova spatola entro la fine di quest'anno

Background Learning and straightening of surgical techniques requires continuous training that cannot overlook from lab activities. During microsurgery, specific bimanual abilities are necessary to perform perfect vessels dissection and anastomosis. In this scenario, the development of realistic training models is utmost important. Objective The aim of this research is to describe a detailed method of preparation of a dye-perfused human placenta training model and its application during microsurgical hands-on courses. An original description of training exercises has been reported. Moreover, a review of the literature on this topic has been performed. Methods Forty-five fresh human placentas were collected and prepared with a specific protocol. The model was used during four hands-on microsurgical training courses held in the Experimental Laboratory of Microsurgery “Botta 2” of the University of Pavia, Italy. The total number of participants was 40 divided into young specialists and residents of Neurosurgery, Otolaryngology and Maxillofacial surgeons. An on-line survey-based questionnaire, using the platform SurveyMonkey®, was administered to each participant to subjectively assess face and content validity of the proposed training model. Differences in categorical responses between groups were analyzed using chi-quadro (χ2) test for independence with STATA® 16 (StataCorp LLC) software. A comprehensive literature review of articles regarding the use of human placenta as a microsurgical training model was performed via multiple PubMed database searches. Results Forty-two of 45 placentas were considered appropriate for microsurgical model. In selected placentas, the arteries could be easily distinguished from the veins and all three vessels were cannulated and perfused with dyes. The model was used to perform vessels dissection and end-to-end, end-to-side and side-to-side anastomosis. Of the 40 course attendees, 33 completed the questionnaire, of which most indicated the placenta as a valuable, accurate, and reproducible model. No differences were observed among the groups. Conclusion The proposed model is an excellent tool for vascular microsurgical laboratory training. A standardized protocol makes its preparation easier and color perfusion enhances its reliability. The low-cost, accessibility, and the variety of size and number of placental vessels are the most important advantages of such polyhedral model, useful for several specialized surgical fields. Due to the possibility of choosing exercises with different degrees of difficulty, this model perfectly matches the philosophy of microsurgical practice. The application of rating scale that allow to verify the teaching efficacy of this training model represents the future step of this research.

Meningiomas are considered a substantially benign disease that can be treated surgically in the vast majority of patients. However, there are forms of meningioma characterized by greater aggressiveness and/or tendency to recurrence. To date, grading is the only known factor that provides some information about the biological behavior of meningiomas. As a matter of fact, patients with high grade meningiomas (WHO grade 2 and 3) have a significant higher risk to develop local recurrence after treatment and, consequently, they tend to have a shorter survival compared to patients with WHO grade 1 meningiomas .However, even grade 1 meningiomas can recur even if with less frequency. Given that to date there are no approved pharmacological treatments for meningiomas and that the use of treatments such as hormone-therapy and chemotherapy have not shown any substantial benefit, it seems appropriate to hypothesize new innovative therapeutic strategies and verify their biological plausibility. To our knowledge, this is the first report of increased PD-L1 expression in meningioma recurrences compared to their primary presentation, regardless of their grade. The high prevalence of PD-L1 expression in the meningioma population and its correlation with grade and clinical behavior may be an important tool to tailor therapeutical strategies and follow up, in particular in high grade and recurrent cases. Moreover, the results obtained contribute to build a rational basis for designing therapeutic trials that use immunotherapy in the treatment of meningiomas.

The principal aim of the candidate’s course was to advance in the skills of research in the complex and evolving context of therapeutic strategies for medical refractory epilepsy in pediatric age. As a neurosurgeon graduate and consultant, part of a neurosurgical department, the candidate work consisted in two principal field of clinical practice-derived research: surgical treatment of hemispheric epilepsy in young infants and MRI- guided interstitial laser thermotherapy (MRg-LiTT) for refractory epilepsy of different origin. Hemispheric surgery is a subject of great interest as it represents an effective option for severe forms of epilepsy with high neurological morbidity, linked to developmental delay and that could be life-threatening, especially in very young infants. Studies focusing on first infancy are rare and more data are needed in literature. The second topic represents an important innovation in the Giannina’s Gaslini neurosurgical treatment offer. MRg-LiTT is a novel approach for the cure of refractory epilepsy, especially linked to hypothalamic hamartomas, with a significant shift in benefit-risk ratio, giving the opportunity to lower the high neurological morbidity linked to more traditional open-surgery approaches. The technique consists in the stereotactic introduction of a laser diode fiber inside a cerebral epileptogenic region (e.g. hypothalamic hamartomas, tuberous sclerosis, cavernomas, seizure onset zones), that is ablated by the high temperature delivered at the tip of the catheter, protecting the important surrounding structures using a near real-time MRI thermography technology.

One of the main aims of awake surgery for glioma patients is to preserve quality of life, while maximizing tumor resection. Focusing on an important yet understudied aspect of quality of life, this thesis investigates to what extent written language may be affected by a glioma or glioma surgery. By reviewing current assessments of reading and spelling in awake surgery studies, we aimed to provide a better understanding of how neuroanatomical theories may guide neurosurgical practice, and to evaluate how examinations of written language in glioma patients can be improved. To provide a direct clinical application for this knowledge, we developed a theory-driven written language battery specifically for glioma patients. Lastly, we tested its efficacy and evaluated reading and spelling performance in neurosurgical practice. The studies in this thesis have provided a better understanding of written language in neurosurgical practice. In particular, it has contributed to prediction and prevention of written language disorders in glioma patients undergoing awake surgery, and it has resulted in a valid examination tool to carefully monitor reading and spelling in this patient group.

Early activation of inflammation in an experimental model of subarachnoid hemorrhage Introduction. There is increasing evidence that inflammation plays a critical role in the pathogenesis of vasospasm and delayed ischemic deficits after Subarachnoid Hemorrhage (SAH). Objective. Aim of this study is to evaluate the early activation of inflammatory response at the level of basilar artery in a model of single hemorrhage in rats. Material and Methods. A single hemorrhage model was used. CD-IGS rats (250-350 gr) were anesthetized using an i.p. administration of ketamine (100mg/Kg) and midazolam (1 mg/Kg) and subcutaneous fentanyl (0.0075 mg) to control pain. In SAH group, subarachnoid hemorrhage was induced by injection of autologous arterial blood into the cisterna magna of the animal throughout a suboccipital puncture (200 µl in 3 min). Animals were therefore maintained with the head down for 15 minutes and were leaved to breath autonomously and to recover. In Sham group, rats were submitted to the same procedures, puncturing the cisterna magna, without injecting arterial blood in it. In basal group, rats were not submitted to any surgical procedure. In short term experiments, animals were sacrificed 4 hours after the puncture. Basilar artery was then removed from the rat brain and freezed. A pool of 3 arteries were necessary in order to obtain adequate amount of RNA to perform gene expression analysis. 4 pool of arteries for each group was submitted to a real-time PCR analysis to evaluate expression of the following genes: TNF-α, IL-6, CXCL-1, iNOS, ET-1, ICAM-1. 3 pools of arteries for each group were submitted to TaqMan Low Density Array. TaqMan Low Density Array is a consumable consisting of 384 wells connected by a series of microfluidic channels, designed to be used on the Applied Biosystems 7900HT Fast Real-Time PCR System platform. Microfluidic technology allows multiple targets to be analyzed across many samples simultaneously. These arrays are used to analyze specific biological pathway activation and the expression of genes of interest. In this work, 90 genes of interest related to the inflammatory response, oxidative stress, repair mechanisms and apoptosis, and 7 genes of reference were analyzed. In long term experiments, rats were divided in 2 groups: SAH group and basal group. In SAH group, animals were sacrificed 5 days after procedure or at the occurrence of any clinical disturbances. At sacrifice animals were perfused with isotonic phosphate-buffered saline (PBS) and fixed with paraformaldehyde. Brain was therefore removed and freezed in a solution of OCT, isopentane and liquid nitrogen. Section of 20 m were performed in the brain stem of the rats, in order to complete a morphometric analysis (diameter, area, thickness) of the basilar artery at three levels. Results. Preliminary analysis of genes expression with RT-PCR showed the early up-regulation of all genes in the SAH group: TNF-α (SAH 3.2, SHAM 2.2, CONTROL 1.1), IL-6 (SAH 343, SHAM 2, CONTROL 1); CXCL-1 (SAH 187, SHAM 42, CONTROL 1), iNOS (SAH 39, SHAM 2, CONTROL 0), ET-1 (SAH 2.6, SHAM 1.2, CONTROL 1.1), ICAM-1 (SAH 5.1, SHAM 1.8, CONTROL 1.1). Subsequent analysis with Taqman Low Density array allowed to confirm the clear differentiation of the SAH group with respect to the basal and SHAM groups (p=0.0370). With the assistance of the software EASE, the analysis was deepened in order to evaluate the hypothetic modulation of molecular processes in SAH group. This demonstrated an up-regulation of genes involved in different aspects of immune response, response to stress or external stimulus, and tissue repair, while genes coding for structural protein of intercellular junction or localized at the level of cell membrane are down-regulated. Morphometric analysis in long-term experiments showed the reduction of basilar artery diameter and area in the SAH group (55 ± 15 microm vs 91 ± 20 microm and 1381 ± 150 microm2 vs 3898± 214 microm2). Conclusions These results show an early expression of genes involved in inflammatory process on the wall of the intracranial vessels exposed to subarachnoid blood injection in a model of single hemorrhage in rats. This seems to confirm that inflammation plays a crucial role in the cascade of events after SAH, leading to vasospasm and delayed ischemic deficits, and suggests that new treatments capable to modulate this response could eventually be beneficial.

One of the main aims of awake surgery for glioma patients is to preserve quality of life, while maximizing tumor resection. Focusing on an important yet understudied aspect of quality of life, this thesis investigates to what extent written language may be affected by a glioma or glioma surgery. By reviewing current assessments of reading and spelling in awake surgery studies, we aimed to provide a better understanding of how neuroanatomical theories may guide neurosurgical practice, and to evaluate how examinations of written language in glioma patients can be improved. To provide a direct clinical application for this knowledge, we developed a theory-driven written language battery specifically for glioma patients. Lastly, we tested its efficacy and evaluated reading and spelling performance in neurosurgical practice. The studies in this thesis have provided a better understanding of written language in neurosurgical practice. In particular, it has contributed to prediction and prevention of written language disorders in glioma patients undergoing awake surgery, and it has resulted in a valid examination tool to carefully monitor reading and spelling in this patient group.

Abstract Introduction. The expansion of the endoscopic endonasal approach in neurosurgery during the last three decades recently led the neurosurgical clinical interest to the investigation of further application of this technique, namely to neurovascular pathologies. Cadaver dissections studies have represented the milestone in the progressive application of this technique. Integrating anatomical studies with advanced visualization tools and quantification methods increases their impact toward clinical application. Material and methods. The main endoscopic endonasal approaches were performed and exposure of the vascular intracranial structures was analyzed: the anterior communicating artery complex was investigated through the transplanum transtuberculum approach; the transsphenoidal approach to the sellar area was performed for the exposure of the intracavernous internal carotid artery; the basilar artery was exposed by means of the endoscopic endonasal transclival approach, and the vertebral arteries through the extended endonasal approach to the craniovertebral junction. Possible clinical application of each approach was investigated during anatomical dissections upgraded with imaging and quantification methods. Results. The transtuberculum transplanum approach allows for the exposure and control of the anterior communicating artery complex; the relationship between the proximal anterior cerebral artery, gyrus rectus, and optic chiasm is the main determinant for the exposure and control of the vessel. Temporary occlusion of the internal carotid artery with a Fogarty balloon catheter through the endoscopic transsphenoidal route might be another maneuver that is useful for obtaining intraoperative control of the vessel. The endoscopic transclival approach may be considered a minimally invasive route to the basilar apex in the presence of specific anatomical and pathological features. Comparative analysis of the anatomical exposure of the vertebro-basilar junction as obtained through transcranial and endoscopic endonasal approaches may be helpful in unlocking this complex skull base area. Conclusions. The introduction of the endoscopic endonasal approaches for the treatment of cerebrovascular pathologies represents the most advanced and innovative step forward of the skull base endoscopic endonasal surgical technique. The present PhD research activity may add relevant anatomical and clinical information to the rather sparse literature directly focused on surgical indication of the endoscopic endonasal approaches to vascular neurosurgery.

Introduzione. I cordomi della base cranica sono tumori rari e a lenta crescita derivanti dalla notocorda. La loro morbilità è principalmente legata alla loro invasione locale e alla resistenza ai trattamenti. A causa del loro aspetto eterogeneo e del loro comportamento clinico-molecolare non completamente compreso, l'obiettivo principale del presente lavoro è quello di identificare marcatori clinici e bio-molecolari come fattori prognostici specifici che potrebbero essere utilizzati per la corretta gestione di tali pazienti. Il raggiungimento di una firma prognostica dettagliata dei cordomi del basicranio è di fondamentale importanza per poter personalizzare il trattamento di ciascun paziente. Inoltre, l'analisi degli sfingolipidi sta emergendo come un nuovo approccio in molti tumori e non è mai stata applicata nei cordomi. L’obiettivo principale è lo studio del comportamento biologico del cordoma e il ruolo della produzione di ceramidi in questo contesto di proliferazione e invasione locale. Pazienti e Metodi. È stata eseguita una revisione retrospettiva di tutti i pazienti diagnosticati e trattati per cordoma della base cranica presso la Fondazione IRCCS Istituto Neurologico "Carlo Besta" tra il gennaio 1992 ed il dicembre 2017. Sono stati raccolti dati clinici, radiologici, chirurgici e patologici. È stata eseguita una raccolta prospettica di campioni chirurgici congelati per analizzare le specie di ceramidi. Gli sfingolipidi sono stati estratti dai tessuti congelati; i ceramidi e i diidroceramidi sono stati valutati mediante cromatografia liquida e spettrometria di massa. L'analisi di sopravvivenza è stata eseguita secondo il metodo di Kaplan-Meier. I confronti univariati sono stati condotti usando i test di Mann-Whitney, Chi-square e il test esatto di Fisher. Sono state condotte analisi di regressione e correlazione lineari. Utilizzando un modello di regressione logistica, i predittori statisticamente significativi sono stati pesati sulla base dei loro odds ratio al fine di sviluppare una scala personalizzata - la Peri-Operative Chordoma Scale (POCS). Risultati. Ottantasette pazienti sono stati trattati chirurgicamente per cordoma del basicranio. Settantotto pazienti sono stati dichiarati eleggibili per la revisione. I pazienti erano 38 maschi (48.7%) e 40 femmine (51.3%). Il follow-up medio era di 69 mesi (intervallo, 3-233). Sono stati eseguiti centoquattordici interventi chirurgici. La presenza di deficit motori si è rivelata essere un fattore prognostico significativo correlato a una PFS peggiore (p=0.0480). La presenza di calcificazioni ha mostrato una correlazione con risultati migliori di OS rispetto al tumore privo di calcificazioni (p=0.0420). Il grado di impregnazione contrastografica alla RM si è rivelato essere un fattore prognostico significativo in termini sia di OS che di PFS (p≤0.0001 e 0.0010, rispettivamente). Il coinvolgimento del forame giugulare e delle cisterne anteriori al tronco encefalico si sono rivelati due fattori prognostici significativi correlati con una riduzione di PFS (p=0.0130 e p=0.0210, rispettivamente). La dislocazione del tronco cerebrale rappresentava un fattore prognostico significativo correlato a peggiore OS e PFS nella coorte di cordomi recidivi (p=0.0060 e 0.0030, rispettivamente). L'estensione della resezione tumorale rappresentava un forte fattore prognostico secondo la PFS nella coorte di cordomi primari (p=0.0200). I pazienti operati da un chirurgo esperto (definito come il chirurgo che ha eseguito più di 10 procedure chirurgiche per cordoma del basicranio nella presente serie) hanno avuto un outcome migliore in termini di PFS nella coorte di pazienti primari (p=0.0340). Lo sviluppo di complicanze post-operatorie in pazienti con cordoma primario rappresentava un importante fattore prognostico correlato sia ad OS che a PFS (p≤0.0001 e 0.0360, rispettivamente). Nella coorte di cordomi recidivi, ∆KPS correlava sia a OS che a PFS (p=0.0010 e 0.0180, rispettivamente). Inoltre, il trattamento radioterapico postoperatorio correlava ad un aumento di OS e PFS (p=0.0020 e p=0.0100, rispettivamente). I seguenti fattori si sono rivelati predittori statisticamente significativi sia di PFS che di OS nel modello di regressione logistica: il grado di impregnazione contrastografica alla RM (intenso o lieve/nessuno), la presenza di deficit motori preoperatori (si o no) e lo sviluppo di complicanze post-operatorie (si o no). Una scala è stata sviluppata con score compresi tra 0 e 17 (Nagelkerke’s pseudo R2=0.656). Le specie totali di ceramidi e diidroceramidi nei cordomi primari erano 808.4±451.4 pmol/mg di proteine (522.5-1760.2) e 30.7±16.4 pmol/mg (17.6-62.4), rispettivamente. Le specie totali di ceramidi e diidroceramidi nei cordomi recidivi erano 1488.1±763.8 pmol/mg (540.7-2787.5) e 67.2±45.5 pmol/mg (9.0-145.6), rispettivamente. Le specie totali di ceramidi erano significativamente più elevate nei cordomi recidivi sottoposti a precedente resezione chirurgica e radioterapia rispetto ai cordomi primari (p=0.0496). Le specie totali di ceramidi e diidroceramidi nel gruppo "intensa impregnazione contrastografica" erano 1597.6±737.8 pmol/mg (592.7-2787.5) e 69.1±45.0 pmol/mg (17.8-145.6), rispettivamente. Le specie totali di ceramidi e diidroceramidi nel gruppo "nessuna o lieve impregnazione contrastografica" erano 664.7±120.4 pmol/mg (522.5-826.0) e 31.5±13.6 pmol/mg (17.6-53.6), rispettivamente. Ceramidi e diidroceramidi totali erano significativamente più alti nei cordomi ad “intensa impregnazione contrastografica” rispetto ai cordomi "nessun o lieve impregnazione contrastografica" (p=0.0290 e p=0.0186, rispettivamente). Analizzando l'associazione tra livelli di ceramidi e MIB-1 all'interno di ciascun paziente con cordoma della base cranica, i livelli di ceramidi totali hanno mostrato un'associazione forte (r=0.7257, r2=0.5267) con la colorazione MIB-1 (p=0.0033). Analizzando l'associazione tra i livelli di diidroceramidi e MIB-1 all'interno di ciascun paziente con cordoma della base cranica, i livelli totali di diidroceramidi hanno mostrato anche un'associazione forte (r=0.6733, r2=0.4533) con MIB-1 (p=0.0083). Tra le singole specie di ceramidi, Cer C24: 1 (r=0.8814, r2=0.7769, p≤0.0001), DHCer C24: 1 (r=0.8429, r2=0.7104, p=0.0002) e DHCer C18:0 (r=0.9426, r2=0.8885, p≤0.0001) hanno mostrato una correlazione significativa con il MIB-1. Conclusioni. L’analisi clinica ha dimostrato che la sintomatologia preoperatoria (deficit motori e a carico dei nervi cranici), la posizione anatomica (forame giugulare, dislocazione del tronco encefalico), le caratteristiche chirurgiche (estensione della resezione tumorale ed esperienza del chirurgo operatore), la presenza di complicanze postoperatorie e il declino del KPS si sono rivelati fattori prognostici significativi. Inoltre, il grado d’impregnazione contrastografica alla RM è stato significativamente correlato sia a OS che a PFS. È stata sviluppata in via preliminare la Peri-Operative Chordoma Scale (POCS) per aiutare il clinico nella gestione personalizzata del paziente che si sottoporrà a potenziali terapie adiuvanti. L’analisi di sfingolipidi, invece, ha evidenziato come i ceramidi possano rappresentare un promettente bio-marcatore nei cordomi. In particolare, i ceramidi a catena lunga e molto lunga, come Cer C24:1 e DHCer C18:0, possono concorrere ad una prolungata sopravvivenza del tumore, aggressività e l’effettiva comprensione del loro ruolo biologico potrà far luce sui possibili meccanismi di radio-resistenza, tendenza a recidivare del cordoma e allo sviluppo di agenti che possano avere come target il metabolismo dei ceramidi. Tali risultati dovrebbero essere validati in futuri studi clinici, in vitro e in vivo più ampi per confermare questo intricato legame tra il comportamento aggressivo del cordoma e dei ceramidi.
Introduction. Skull base chordomas are rare slow-growing neoplasms that arise from notochord. Their morbidity is mainly related to highly aggressive local invasion and resistance to treatments. Due to its heterogeneous appearance and not fully understood clinical and molecular behaviors, the main goal of the present work is to identify clinical and bio-molecular markers as specific prognostic factors that could be used for the management of skull base chordoma patients. Achieving a detailed prognostic signature of skull base chordomas is of paramount importance to personalize the treatment to each specific patient. Moreover, sphingolipids analysis is emerging as a new approach in many cancers and it has never been applied in chordomas. Our aim is to investigate chordoma biological behavior and the role of ceramides production in this context of proliferation and invasion. Patients and Methods. A retrospective review of all the patients diagnosed and treated for a skull base chordoma at the Fondazione IRCCS Istituto Neurologico “Carlo Besta” between January 1992 and December 2017 has been performed. Clinical, radiological, surgical and pathological data have been collected. A prospective collection of frozen surgical specimens has been performed to analyze ceramides species in chordomas. Sphingolipids were extracted from frozen tissues and total ceramides and dihydroceramides were evaluated by liquid chromatography and mass spectrometry. Survival analysis was performed according to Kaplan-Meier method. Univariate comparisons were conducted using Mann-Whitney, Chi-square and exact Fisher test. Simple linear regression and correlation with computation of Pearson coefficients analyses were conducted. Using a logistic regression model, statistically significant predictors were rated based on their odds ratios in order to build a personalized grading scale – the Peri-Operative Chordoma Scale (POCS). Results. Eighty-seven consecutive patients were surgically treated for a skull base chordoma during the period of recruitment. Seventy-eight patients were eligible for the retrospective review. There were 38 males (48.7%) and 40 females (51.3%). The mean follow-up was 69 months (range, 3–233). One-hundred-fourteen surgical operations were performed in the initial recruitment or recurrent setting. The presence of motor deficits in skull base chordoma revealed to be a significant prognostic factor correlating with a worse PFS (p=0.0480). Calcification on KM analysis showed a correlation with better outcomes (OS) compared with tumor lacking any calcification on CT scan (p value=0.0402). The degree of MR contrast enhancement revealed to be a significant and strong prognostic factor in terms of OS and PFS (p≤0.0001 and 0.0010, respectively). Jugular foramen involvement represented a significant prognostic factor with a worse PFS in the cohort of primary skull base chordomas (p=0.0130). The presence of chordoma in the pre-brainstem cistern revealed to be a significant prognostic factor with a worse PFS in the cohort of recurrent skull base chordomas (p=0.0210). Brainstem dislocation represented a significant prognostic factor correlating with a both worse outcome in terms of OS and PFS in the cohort of recurrent skull base chordomas (p=0.0060 and 0.0030). Extent of resection represents a strong prognostic factor according to PFS in the cohort of primary skull base chordomas (p=0.0200). Patients operated by an experienced chordoma surgeon did better in terms of prolonged PFS in the cohort of primary patients (p=0.0340). Development of post-operative complications in primary skull base chordoma patients represented an important prognostic factor related to both OS and PFS (p≤0.0001 and 0.0360, respectively). In the cohort of recurrent chordomas, ∆KPS correlated to both OS and PFS (p=0.0010 and 0.0180, respectively). Moreover, post-operative radiation treatment correlated with prolonged OS (p=0.0020) and PFS (p=0.0100). The following factors were found to be statistically significant predictors of both PFS and OS in the logistic regression model: MR contrast enhancement (intense vs mild/no), preoperative motor deficit (yes vs no) and the development of any post-operative complications (yes vs no). A grading scale was obtained with scores ranging between 0 and 17 (Nagelkerke’s pseudo R2=0.656). The mean total ceramides and dihydroceramides species in primary chordomas were 808.4±451.4 pmol/mg (522.5-1760.2) and 30.7±16.4 pmol/mg (17.6-62.4), respectively. The mean total ceramides and dihydroceramides species in recurrent chordomas were 1488.1±763.8 pmol/mg (540.7-2787.5) and 67.2±45.5 pmol/mg (9.0-145.6), respectively. Total ceramides species were significantly higher in recurrent chordomas that underwent previous surgical resection and radiation therapy in comparison to the primary chordomas (p=0.0496). The mean total ceramides and dihydroceramides species in “intense enhancement” group were 1597.6±737.8 pmol/mg (592.7-2787.5) and 69.1±45.0 pmol/mg (17.8-145.6), respectively. The mean total ceramides and dihydroceramides species in “no or mild enhancement” group were 664.7±120.4 pmol/mg (522.5-826.0) and 31.5±13.6 pmol/mg (17.6-53.6), respectively. Total ceramides and dihydroceramides were significantly higher in “intense enhancement” chordomas in comparison to the “no/mild enhancement” chordomas (p=0.0290 and p=0.0186, respectively). Analyzing the association between ceramides level and MIB-1 within each skull base chordoma patient, total ceramides level showed a strong association (r=0.7257, r2=0.5267) with MIB-1 staining (p=0.0033). Analyzing the association between DHCer level and MIB-1 within each skull base chordoma patient, total DHCer level showed also strong association (r=0.6733, r2= 0.4533) with MIB-1 staining (p= 0.0083). Among the single ceramides species Cer C24:1 (r=0.8814, r2=0.7769, p≤0.0001), DHCer C24:1 (r=0.8429, r2=0.7104, p=0.0002) and DHCer C18:0 (r=0.9426, r2=0.8885, p≤0.0001) levels showed a significant correlation with MIB-1 staining. Final candidate predictive factors that well fitted the regression model were: cer24:1 (r=0.824, p≤0.001), and DHCer C18:0 (r=0.748, p=0.002). Conclusion. Our clinical analysis showed that pre-operative clinical symptoms (motor and cranial nerve deficits), anatomical location (jugular foramen, pre-brainstem cisterns and brainstem dislocation), surgical features (extent of tumor resection and surgeon’s experience), development of post-operative complications and KPS decline represent significant prognostic factors. The degree of MR contrast enhancement significantly correlated to both OS and PFS. We also preliminarily developed the Peri-Operative Chordoma Scale (POCS) to aid the practitioner in the personalized management of patients undergoing potential adjuvant therapies. Our lipid analysis showed ceramides as promising tumoral bio-markers in skull base chordomas. Long and very long chain ceramides, such as Cer C24:1 and DHCer C24:1, may be related to a prolonged tumor survival, aggressiveness and the understanding of their effective biological role will hopefully shed lights on the mechanisms of chordoma radio-resistance, tendency to recur and use of agents targeting ceramide metabolism. Such results should be validated in future larger clinical, in-vitro and in-vivo studies to confirm such intricate link between ceramides and chordoma aggressive behavior.

TITLE: Subarachnoid Hemorrhage: cognitive evaluation and 3T MRI imaging in the acute phase; preliminary results AUTHOR: Giulio Andrea Bertani ABSTRACT INTRODUCTION: Aneurysmal subarachnoid hemorrhage (SAH) is a cerebrovascular disease characterized by high mortality and severe complications, in particular hydrocephalus and vasospasm. Traditional imaging techniques and outcome assessment scales (GOS, MRS) are unable to clarify the complex pathophysiological mechanisms of the disease or to adequately evaluate the impact on cognitive functions. AIMS: To investigate patients in the acute phase after SAH by advanced neuroimaging techniques (MRI) and in-depth neuropsychological evaluations, in order to assess acute cognitive deficits and to connect them to the numerous clinical and radiological variables which affect the course of the disease. METHODS: In the setting of a larger ongoing observational study, we selected 23 adult patients suffering from aneurysmal SAH. Following aneurysm treatment (clipping or coiling), patients underwent 3T brain MRI with MRA within 48 hours and 7-10 days, using a dedicated protocol; in the same times patient underwent neuropsychological assessments for language, memory, executive functions, praxis, orientation and personal autonomy. Monitoring of arterial flow by means of Transcranial Doppler (TCD) was performed. RESULTS: the majority of patients had marked cognitive deficits in all areas examined after SAH, with only marginal improvements at time 2. Early MRI showed ischemic volumes of less than 2 ml in 17 cases, between 2 and 10 ml in 3 and greater than 10 ml in 1; at T2 6 new lesions were detected, 5 less than 2 ml and 1 between 2 and 10 ml. The neuropsychological assessments showed multiple relationships with clinical and radiological parameters, location and side of the aneurysm, hydrocephalus and vasospasm; the correlation with ischemic lesions showed contradictory results. CONCLUSIONS: This study documents the pronounced cognitive impairment following SAH, despite a modest load in terms of ischemic lesions detected by MRI. It confirms that some features of the disease, such as the location and lateralization of the aneurysm, and the type of treatment have a deep influence on cognitive performances in the short term. This research also puts the basis for future selection of a battery of tests specifically designed to detect early subtle neuropsychological abnormalities, which are often associated with severe complications of SAH.

Background: The clinical course of patients with glioblastoma is burdened with a poor prognosis. Furthermore, the hypercoagulable state associated with this cancer and the possible thromboembolic complications (VTE) may significantly worsen the prognosis. Moreover, the absence of tumor markers in glioblastoma makes the follow-up of these patients strictly dependent on the neuroimaging examination that might be controversial. Circulating tumor-derived microparticles (MPs), that are present in various types of tumors, associated with prothrombotic activity, were also found in the plasma of patients with glioblastoma. Objective: To evaluate the first postoperative thromboembolic complications after surgery for brain tumor in a sample of patients. To determine the relationship between circulating microparticles (MPs) and thromboembolism. To assess the relationship between MPs and progression of disease in patients treated for newly diagnosed glioblastoma in order to evaluate the possible use of MPs as markers of disease. Materials and methods: In 57 patients, without TEV and subjected to neurosurgical intervention for glioblastoma and meningioma, blood levels of D-Dimer before surgery and III and VII days after surgery were assayed. All patients received the same antithrombotic prophylaxis and lower extremities ultrasonography before surgery and seven days after surgery. We measured baselines levels of MPs and procoagulant activity in a second group of 25 patients treated for newly diagnosed GBM and we compared these data with a group of 75 healthy controls. We assayed MPs 1, 4 and 7 months after surgery, and we examined the possible occurrence of thromboembolic complications and disease progression. All patients underwent adjuvant treatment according to the protocol Stupp within 6 weeks after surgery. Results: In the first group of patients, VTE complication occurred in 17.5 % of patients without clinical signs or symptoms. The D-dimer level significantly increased in the basal sample, in third and seventh postoperative days in patients who developed VTE compared to those who did not develop VTE. In the second group of patients, circulating MPs and prothrombotic activity were significantly increased in patients compared to healthy controls. These counts were also significantly higher in patients who developed VTE compared to those who did not have this complication. Similarly, the circulating MPs were higher in patients who went against disease progression compared to stable controls. Conclusions: In the first post-operative period, the D-Dimer plasmatic levels’ trend can help in the diagnosis of VTE in the absence of clinical signs or symptoms. The increase of circulating MPs correlates with VTE strengthening the hypothesis of a prothrombotic role of these particles. The increase of circulating MPs in patients with progression of the disease seems suggest their possible use as tumoral markers.
Presupposti dello studio: Il decorso dei pazienti affetti del glioblastoma è gravato da una prognosi infausta. Inoltre, l’alterato assetto coagulativo che si associa a questa neoplasia e le possibili complicanze di natura tromboembolica (TEV) possono peggiorarne sensibilmente la prognosi. L’assenza di makers tumorali nel glioblastoma, inoltre, rende il follow-up dei pazienti strettamente dipendente dagli esami di neuroimaging che talvolta possono risultare di difficile interpretazione. Microparticelle plasmatiche di derivazione neoplastica (MPs), descritte in diversi tipi di neoplasie ed associate ad attività procoagulante, sono state riscontrate nei pazienti affetti da glioblastoma. Scopo dello studio: Valutare la complicanza tromboembolica nell’immediato post operatorio dopo intervento per neoplasia cerebrale in un campione di pazienti. Determinare la relazione tra complicanze tromboemboliche e MPs circolanti e valutare la correlazione tra MPs e progressione di malattia nei pazienti trattati per glioblastoma di nuova diagnosi per comprendere il possibile utilizzo delle MPs come markers di malattia. Materiali e metodi: In 57 pazienti, esenti da TEV e sottoposti ad intervento neurochirurgico per glioblastoma o meningioma, sono stati dosati i livelli ematici di D-Dimero preoperatoriamente, in III e in VII giornata postoperatoria. A tutti i pazienti è stata somministrata la medesima profilassi antitrombotica, preoperatoriamente e in VII giornata post operatoria è stato effettuato un EcoDoppler venoso. In un secondo gruppo di 25 pazienti trattati per GBM di prima diagnosi sono state dosate le MPs circolanti basali e quantificata l’attività coagulativa rispetto ad un gruppo di 75 controlli sani. Sono state dosate le MPs a controlli seriati preoperatoriamente, a 1, 4 e 7 mesi dopo la chirurgia ed esaminata l’eventuale insorgenza di complicanze tromboemboliche e di progressione di malattia. Tutti i pazienti sono stati sottoposti a terapia adiuvante secondo il protocollo Stupp entro 6 settimane dall’intervento. Risultati: Nel primo gruppo di pazienti la complicanza tromboembolica si è verificata nel 17.5% dei pazienti in assenza di segni o sintomi clinici. Il D-Dimero è risultato significativamente aumentato nel prelievo basale, in III ed in VII giornata nei pazienti che hanno sviluppato TEV rispetto a quelli che non l’hanno sviluppata con un trend in progressivo aumento. Nel secondo gruppo di pazienti le MPs circolanti e l’attività procoagulante sono risultate significativamente aumentate rispetto ai controlli sani. Tali dosaggi erano significativamente più elevati nei pazienti che hanno sviluppato una TEV rispetto a quelli che non hanno avuto tale complicanza. Allo stesso modo le MPs circolanti erano più elevate nei pazienti che sono andati incontro a progressione di malattia rispetto ai controlli stabili. Conclusioni: Nell’immediato post operatorio l’andamento del D-Dimero può aiutare nella diagnosi di TEV in assenza di segni o sintomi evidenti. L’aumento delle MPs circolanti correla con la comparsa di TEV rafforzando l’ipotesi del ruolo procoagulante di queste particelle. L’aumento delle MPs nei pazienti con progressione di malattia, inoltre, sembra suggerire il loro possibile utilizzo come markers di malattia.

The advancements in basic sciences and the availability of sophisticated technological aids have led over the last few years to the rise of innovative surgical strategies, the identification of better prognostic/predictive biomolecular factors, and the development of novel drugs all meant to profoundly impact the outcome of neurosurgical patients. This thesis touches upon the window of opportunity to exploit bioengineering techniques in three subspecialties of this vast discipline: neuro-oncology, radiosurgery and neuro-traumatology. After a thorough identification of some unresolved clinical problems and the limits of current management strategies in those areas, some technical solutions are proposed and defined from either experimental hypothesis or clinical research investigations. The neuro-oncology section presents the exciting topic of nanodrugs for adjuvant chemotherapy in high-grade gliomas, the most aggressive primary brain tumours. The use of hyaluronic acid nanoshells is proposed to encapsulate prodrugs and exploit the mechanisms of interaction between glioma cells and hyaluronic acid, a natural component of extracellular matrix. The theoretical advantages of this approach are discussed with details regarding the possible scalability of this technique to increase the efficacy and biodegradability of other molecules suitable as contrast media for neuro-imaging and radiotracers for nuclear medicine investigations. The radiosurgery section in fact continues the previous one, highlighting the rationale for further implementation of radiosurgical protocols thanks to nanoshell-encapsulated radioenhancers and multi-imaging fusion protocols. Experimental data on the optimization of radiosurgical plans for artero-venous malformations close to the motor strip or basal ganglia are presented, demonstrating the dramatic reduction in radiation dose to the pyramidal tract and supporting the anticipated benefits in terms of radioprotection, and avoidance of post-radiosurgical deficits. Finally the neurotrauma section presents the clinical results from a prospective study on an innovative device for non-invasive monitoring of intracranial pressure, a tool that given the high reliability demonstrated in this research might find a role in preclinical or neurointensive care settings and reduce the need for serial neuroimaging in traumatic brain injured patients. The last chapter concludes this thesis duly outlining some forecasts and supporting literature for the widespread application of bioengineering enhanced solutions in neurosurgical theatres, wards or outpatient clinics.

Introduzione: L’aneurisma cerebrale è ancora un’entità clinica potenzialmente devastante. Gli aneurismi sacculari intracranici sono dilatazioni patologiche delle arterie cerebrali che colpiscono il 3-5% della popolazione adulta mondiale e che hanno maggiore incidenza tra la quarta e sesta decade con prevalenza nel sesso femminile. Circa il 20-30% dei pazienti è portatore di aneurismi multipli. E’ stimato che tra 10-15 individui almeno uno sia portatore inconsapevole di un aneurisma cerebrale. La rottura di un aneurisma sacculare intracranico ha ancora conseguenze devastanti: morte nel 50% dei casi e grave disabilità nel 35% di pazienti giovani. Il rischio di rottura è tutt’oggi difficilmente prevedibile. L’infiammazione gioca un ruolo decisivo nella formazione e nella rottura degli aneurismi. La Risonanza Magnetica della parete dei vasi intracranici costituisce un nuovo approccio diagnostico che permette di visualizzare la “luminosità dell’aneurisma” dovuta ad infiammazione e assottigliamento della parete. La RM della parete dei vasi cerebrali può, infatti, evidenziare un'infiammazione vascolare intracranica visualizzando direttamente anomalie della parete vasale attraverso sequenze di Risonanza Magnetica a 3 Tesla che sopprimono il segnale del sangue ed hanno una eccellente risoluzione spaziale. La letteratura corrente evidenzia, infatti, come la presa di contrasto della parete vasale alla Risonanza Magnetica (MRI) può suggerire una patologia della parete stessa ed identificare una instabilità nell’aneurisma sacculare intracranico precedente la rottura. L'identificazione di un segno di rottura precoce può permettere di personalizzare il trattamento offerto, migliorando di conseguenza la sopravvivenza e l’outcome e riducendo il costo sociale e l’impatto familiare. Ipotesi: L'ipotesi principale dello studio è che l'enhancement della parete vasale alla risonanza magnetica ad alta risoluzione (3T-MRI) sia un marcatore potente ed affidabile della infiammazione della parete dell'aneurisma e della sua conseguente rottura, Obiettivo: Lo scopo principale di questo studio è di valutare la capacità diagnostica della presa di contrasto della parete vasale come biomarker d'infiammazione della parete dell’aneurisma, confermando che la presa di contrasto è correlata ad una alterazione istologica della parete ed al conseguente aumentato rischio di rottura. Altro obiettivo è quello di studiare una correlazione tra presa di contrasto della parete vasale e biomarkers infiammatori nel sangue periferico prelevando un campione ematico nei pazienti con presa di contrasto della parete aneurismatica al fine di valutare un incremento degli indici di flogosi. Metodi: Una serie consecutiva di 50 pazienti sintomatici o asintomatici con aneurisma rotto o non rotto sono stati inclusi nello studio. I fattori di rischio per rottura sono stati registrati. Lo studio MRI della parete degli aneurismi è stato eseguito su Risonanza 3 Tesla, con sequenze ad alta risoluzione T1 e T2-pesate prima e dopo iniezione di mezzo di contrasto. Due neuroradiologi esperti in patologia vascolare hanno studiato le immagini indipendentemente. Nei pazienti sottoposti ad intervento chirurgico, è stata effettuato uno studio istologico ed immunoistochimico. Su tutti i pazienti è stato inoltre eseguito prelievo ematico per analizzare molteplici biomarkers di infiammazione periferica (IL-1, MMP-9, TNF-α et al). L’analisi di regressione logistica univariata e multivariata è stata effettuata per investigare l’associazione tra presa di contrasto della parete vasale degli aneurismi con fattori di rischio noti, caratteristiche dell’aneurisma (dimensione, sede, conformazione, molteplicità) ed altri fattori clinici e laboratoristici. Rilevanza scientifica: Le attuali conoscenze sulle caratteristiche delle pareti aneurismatiche sugli studi MRI delle pareti vasali sono in continua evoluzione. I dati presenti in letteratura sono basati su piccole serie o dati retrospettivi. Lo studio MRI della parete vascolare può potenzialmente permettere di identificare immagini suggestive di patologia della parete vascolare (inclusi infiammazione, neoangiogenesi, emorragia intramurale e rottura) e, a volte, di identificare biomarkers neuroradiologici del comportamento dell’aneurisma. Lo scopo dello studio è di valutare la capacità della MRI della parete vascolare di prevedere il comportamento biologico confrontandola con fattori di rischio noti per rottura. Risultati: L'analisi della relazione tra la captazione di parete nei tre gruppi di pazienti studiati ha mostrato come la captazione di contrasto fosse significativamente presente nel 100% degli aneurismi rotti; nei pazienti sintomatici la captazione era presente nel 50% dei casi mentre tra gli asintomatici nel 33% (p=0.003). Un’elevazione dello score PHASES ha mostrato una correlazione statistica con la captazione e con i sottotipi di paziente. E’ stata individuata una linea di taglio di circa 4 al di sopra della quale la maggior parte degli aneurismi comincia a captare (p<0.001). L'analisi di regressione logistica ha dimostrato che sono predittori indipendenti di rottura: la captazione (p=0.018), la presenza di aneurismi multipli (p=0.016). Predittori indipendenti di captazione dell'aneurisma: le dimensioni dell'aneurisma (p=0.001), la presenza di variabili anatomiche del circolo di Willis (p=0.005) e la morfologia irregolare dell'aneurisma (p=0.016). L’analisi di sensibilità e specificità della captazione come predittore di rottura ha dimostrato (p=0.002): sensibilità: 100%, specificità: 64%, VP positivo: 28%, VP negativo: 100%. I markers CD3 e CD34 (linfociti T e vasa vasorum) sono tendenzialmente più alti nei pazienti captanti (p=0.061 e p=0.083). Esisteva una correlazione diretta tra il numero di marcatori immunoistochimici d’infiammazione alterati e la presenza di captazione di parete con un cut-off di circa 7. Pazienti con un indice al di sotto del 7 non mostravano captazione mentre tutti i pazienti con un indice superiore mostravano captazione alla RM (p=0.043). Un punteggio superiore a 7, offre un 100% di sensibilità, specificità, VPP e VPN in relazione alla presenza di captazione aneurismatica. Conclusioni: I nostri risultati preliminari di uno studio su una coorte di pazienti più ampia, confermano che la presa di contrasto della parete ed i markers infiammatori aumentati siano in grado di rilevare, negli aneurismi non rotti, una tendenza alla rottura. Questi dati sono stati, inoltre, confermati dagli studi neuroradiologici ed anatomopatologici su aneurismi rotti con evidenza, dapprima, della captazione di contrasto da parte della parete, successivamente di alterazioni di struttura allo studio istologico del campione operatorio. Il presente studio conferma l’importanza di eseguire accertamenti accurati durante la valutazione di aneurismi non rotti al fine di poter stratificare l’individuale rischio di rottura, basato sulle caratteristiche stesse dell’aneurisma e non su fattori ambientali o di rischio calcolati sulla popolazione generale.
Background: Saccular intracranial aneurysm (SIA) rupture has still devastating consequences: death and serious disability in up to 35%-50% of often young patients. Instability state is still difficult to estimate(1). Inflammation plays a major role in aneurysm formation and rupture and literature suggests that aneurysm wall enhancement (WE) on magnetic resonance imaging (MRI) may be a surrogate of vessel wall inflammation(2). Aim: The main aim of the study is to assess the capability of wall enhancement to identify intracranial aneurysm in real danger for rupturing. Methods: Cohort prospective observational study. Consecutive patients with ruptured and un-ruptured aneurysms underwent contrast 3T-MRI and histology to confirm wall inflammation. Statistical analysis was performed to investigate the association of WE with risk factors and histological markers of inflammation(3). Patients were divided into three groups in relation to clinical features: • Asymptomatic aneurysms, • Symptomatic aneurysms, • Ruptured aneurysms. Results: A preliminary group of 50 patients was included. WE was present in 100% of the ruptured aneurysms, in 50% of unruptured symptomatic and in 33% of asymptomatics(p=0.003). Cut-offline of 4 in PHASES score was found, above which most of the aneurysms begin to enhance(p<0.001). Logistic regression analysis demonstrated as independent predictors of rupture: WE (p=0.018) and presence of multiple aneurysms(p=0.016). Independent predictors of wall enhancement were: size(p=0.001), presence of variables of circle of Willis (p=0.005) and irregular morphology(p=0.016). Analysis of WE as a predictor of rupture has shown (p=0.002):100% sensitivity, 64% specificity, 28%VPP, 100%VPN. At a cut-off of 7, there is a direct correlation between the number of altered immunohistochemical inflammation markers and presence of WE (p=0.043). A score higher than 7 entails a 100% sensitivity, specificity, VPP and VPN in relation to presence of WE. Conclusions: Wall enhancement identifies instability-state in SIA. WE is a new and powerful rupture sign that could be crucial in deciding whether and how to treat SIA, even in small aneurysms. Final purpose is to offer a practice tool to personalize the therapeutic approach, distinguishing different aneurysm “activation” stages, in order to reduce intracranial bleeding and improving long-term outcome. Taking into account not only the dimensions and the morphology but, above all, the pathophysiology of the aneurysm itself, will allow to tailor therapeutic options. Further implication of the results will be the development of new personalized devices aiming at lowering the inflammation of the wall.

L’epilessia del lobo temporale (TLE) è la più frequente forma di epilessia farmacoresistente nell’adulto. Circa il 40% dei pazienti con TLE sono farnacoresistenti e candidabili all’intervento di lobectomia temporale anteriore. Circa l’80% di questi pazienti possono essere resi liberi dall’epilessia grazie alla chirurgia. Una delle conseguenze principali di questo tipo di intervento è rappresentato dallo sviluppo di deficit della memoria verbale e non-verbale. Molto meno frequentemente si osserva l’insorgenza di un deficit neurologico di lato (circa 1,8% dei casi), sebbene non escludibile data la contiguità anatomica dell’amigdala con il globus pallidus. Sebbene sia già noto da tempo che il danno all’ippocampo e alle strutture temporali adiacenti contribuisca al deficit di memoria, poco si conosce riguardo al ruolo della sostanza bianca piuttosto che della sostanza grigia o se le misure microstrutturali piuttosto che morfometriche costituiscano dei fattori predittivi più efficaci di eventuali deficit della memoria. Lo scopo di questo studio è valutare se l’estensione dell’asportazione delle strutture temporali nell’ambito della TLE sia in grado di predire l’outcome riguardo la funzione della memoria e se il monitoraggio dei potenziali motori intraoperatori sia in grado di ridurre il rischio di insorgenza di deficit neurologici. Abbiamo analizzato l’esperienza dell’unità operativa di Neurochirurgia dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena per gli interventi di lobectomia temporale anteriore dal Febbraio 2017 ad Agosto 2021. Tutti i pazienti reclutati nello studio sono stati sottoposti a valutazione neuropsicologica e studio RM encefalo pre-operatorio e a distanza di almeno 6 mesi. I pazienti sono stati sottoposti ad intervento neurochirurgico di asportazione del polo temporale associata o meno ad amigdaloippocampectomia. Durante la procedura circa la metà dei pazienti sono stati sottoposti a monitoraggio dei potenziali evocati motori. Per tutti i pazienti reclutati è stato valutato l’outcome riguardo al controllo dell’epilessia (Engel class) ed è stato calcolato il volume della resezione tracciando manualmente l’estensione dell’asportazione chirurgica co-registrando le immagini post-operatorie con quelle acquisite in fase pre-operatoria. Abbiamo infine correlato le variazioni delle performance ai test neuropsicologici pre- e post-operatori con l’estensione della resezione, con le variazioni volumetriche e microstrutturali delle principali strutture coinvolte nella memoria tra RM encefalo pre- e post-operatoria
Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common cause of medically intractable partial epilepsy in adults. 40% of patients with TLE are drug-resistant and are candidates for anterior temporal lobectomy and up to 80% of these patients may be rendered seizure free by surgery The most common cognitive co-morbidity in TLE is verbal and/or non-verbal impairments in episodic memory. Less frequently we can see neurological deficits after epilepsy surgery for TLE (about 1.8% of patients), although possible for the anatomical contiguity between amygdala and globs pallidus Although damage to the hippocampus and adjacent temporal lobe structures is known to contribute to memory impairment, little is known of the relative contributions of white versus gray matter structures or whether microstructural (studied by DTI) versus morphometric measures (studied by structural MRI) of temporal lobe pathology are stronger predictors of impairment The aim of this study is to evaluate whether the extent of surgical resection in the temporal lobe predicts longitudinal verbal learning and memory outcomes and whether the intra-operative motor evoked potentials (MEPs) monitoring is useful to reduce the risk of post-operative neurological deficits. We investigated data from patients who underwent unilateral anterior temporal lobectomy between February 2017 and August 2021at our Neurosurgery Unit in Modena. Each patient underwent pre- and post-operative neuro-psychological tests at 6 months and all patients were imaged pre-operatively and post-operatively (at 6 months) using 3T MRI. On the basis of pre-operative evalutation partecipants underwent to anterior temporal lobectomy associated or not with amygdalohippocampectomy. During surgery about an half of patients underwent to motor evoked potentials monitoring. For all patients we used Engel Epilepsy Surgery Outcome Scale to determine seizure outcome. Postsurgical lesions were manually traced and coregistered to presurgical scans to precisely quantify resection extent of temporal regions. We eventually correlated performance on verbal and non-verbal memory tests with extention of resection and with microstructural and morphometric measures in the pre-operative and post-operative MRI.

L’epilessia del lobo temporale (TLE) è la più frequente forma di epilessia farmacoresistente nell’adulto. Circa il 40% dei pazienti con TLE sono farnacoresistenti e candidabili all’intervento di lobectomia temporale anteriore. Circa l’80% di questi pazienti possono essere resi liberi dall’epilessia grazie alla chirurgia. Una delle conseguenze principali di questo tipo di intervento è rappresentato dallo sviluppo di deficit della memoria verbale e non-verbale. Molto meno frequentemente si osserva l’insorgenza di un deficit neurologico di lato (circa 1,8% dei casi), sebbene non escludibile data la contiguità anatomica dell’amigdala con il globus pallidus. Sebbene sia già noto da tempo che il danno all’ippocampo e alle strutture temporali adiacenti contribuisca al deficit di memoria, poco si conosce riguardo al ruolo della sostanza bianca piuttosto che della sostanza grigia o se le misure microstrutturali piuttosto che morfometriche costituiscano dei fattori predittivi più efficaci di eventuali deficit della memoria. Lo scopo di questo studio è valutare se l’estensione dell’asportazione delle strutture temporali nell’ambito della TLE sia in grado di predire l’outcome riguardo la funzione della memoria e se il monitoraggio dei potenziali motori intraoperatori sia in grado di ridurre il rischio di insorgenza di deficit neurologici. Abbiamo analizzato l’esperienza dell’unità operativa di Neurochirurgia dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena per gli interventi di lobectomia temporale anteriore dal Febbraio 2017 ad Agosto 2021. Tutti i pazienti reclutati nello studio sono stati sottoposti a valutazione neuropsicologica e studio RM encefalo pre-operatorio e a distanza di almeno 6 mesi. I pazienti sono stati sottoposti ad intervento neurochirurgico di asportazione del polo temporale associata o meno ad amigdaloippocampectomia. Durante la procedura circa la metà dei pazienti sono stati sottoposti a monitoraggio dei potenziali evocati motori. Per tutti i pazienti reclutati è stato valutato l’outcome riguardo al controllo dell’epilessia (Engel class) ed è stato calcolato il volume della resezione tracciando manualmente l’estensione dell’asportazione chirurgica co-registrando le immagini post-operatorie con quelle acquisite in fase pre-operatoria. Abbiamo infine correlato le variazioni delle performance ai test neuropsicologici pre- e post-operatori con l’estensione della resezione, con le variazioni volumetriche e microstrutturali delle principali strutture coinvolte nella memoria tra RM encefalo pre- e post-operatoria
Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common cause of medically intractable partial epilepsy in adults. 40% of patients with TLE are drug-resistant and are candidates for anterior temporal lobectomy and up to 80% of these patients may be rendered seizure free by surgery The most common cognitive co-morbidity in TLE is verbal and/or non-verbal impairments in episodic memory. Less frequently we can see neurological deficits after epilepsy surgery for TLE (about 1.8% of patients), although possible for the anatomical contiguity between amygdala and globs pallidus Although damage to the hippocampus and adjacent temporal lobe structures is known to contribute to memory impairment, little is known of the relative contributions of white versus gray matter structures or whether microstructural (studied by DTI) versus morphometric measures (studied by structural MRI) of temporal lobe pathology are stronger predictors of impairment The aim of this study is to evaluate whether the extent of surgical resection in the temporal lobe predicts longitudinal verbal learning and memory outcomes and whether the intra-operative motor evoked potentials (MEPs) monitoring is useful to reduce the risk of post-operative neurological deficits. We investigated data from patients who underwent unilateral anterior temporal lobectomy between February 2017 and August 2021at our Neurosurgery Unit in Modena. Each patient underwent pre- and post-operative neuro-psychological tests at 6 months and all patients were imaged pre-operatively and post-operatively (at 6 months) using 3T MRI. On the basis of pre-operative evalutation partecipants underwent to anterior temporal lobectomy associated or not with amygdalohippocampectomy. During surgery about an half of patients underwent to motor evoked potentials monitoring. For all patients we used Engel Epilepsy Surgery Outcome Scale to determine seizure outcome. Postsurgical lesions were manually traced and coregistered to presurgical scans to precisely quantify resection extent of temporal regions. We eventually correlated performance on verbal and non-verbal memory tests with extention of resection and with microstructural and morphometric measures in the pre-operative and post-operative MRI.

The clinical syndrome of neurogenic claudication due to lumbar spinal stenosis (LSS) is a frequent source of pain in the lower back and extremities, impaired walking, and other forms of disability in the elderly. Although the incidence and prevalence of symptomatic lumbar spinal stenosis have not been established, this condition is one of the most frequent indication for spinal surgery in patients older than 65 years of age. The treatment strategy depends on the severity of clinical symptom. After nonoperative treatement failure, surgical decompression should be considered. Aim of our prospective non-randomized clinical study was to analized short term results, efficancy, and complications after decompression and interspinous distraction surgery for severe multilevel LSS, and to analyzed difference in body and spine balance and movement using gait analysis,. Between March 2009 and March 2010 12 patients were selected for our study. 4 (33.3%) were female, 8 (66.7%) were male. Mean age at surgery was 63.50±15.23 (range 39-82) years. A mean of 2.50±0.80 (range 1-4) sympthomatic levels were treated for patient. Mean operative time was 90.42±18.40 minutes. In all procedures there was just light intraoperative blood loss. Mean hospitalization was 3.08±1.08 days. There was a mean return to walk after 1.83±0.58 days. Results of our short term prospective nonrandomized clinical study shown that decompressive recalibrage plus interspinous distraction is an effective and safe procedure for severe multilevel LSS. Patients had improvement both on sympthoms and on functionality and capacity. All patients were satisfied for the procedure, with a personal satisfaction rate (0-10) of 8.33±1.53. After surgery there were significant statistical improvement in VAS pain (pv=0.000), in ODI lumbar function (pv=0.000), and in SF36 health status (pv=0.000). Gait analysis showed an objective, and not just subjective, improvement in patient functionality and capacity. Trials proved a global improvement in spinal range of motion after surgery (pv=0.001 both on flexion-extension, and on lateral bending, and on axial rotation), with re-distribution of plantar anterior-posterior loading, and better plantar loading distribution on static trials, signs of improved balance. There were reduction of postures to prevent pain. There was a statistical improvement in walking capacity. It will be important to continue follow-up of patients, implementing sample, in order to verify long-term follow-up, real focus on treatment choice.
La stenosi del canale vertebrale lombare (LSS) è una patologia tipica dell’età avanzata che si manifesta classicamente con claudicatio neurogenica, o spinale, e disabilità progressiva nella deambulazione associata o meno a lombalgia- lombosciatalgia. Sebbene l’incidenza e la prevalenza delle forme sintomatiche di LSS non sia stata ancora bene stabilita, questa patologia degenerativa è la principale causa di chirurgia vertebrale nei pazienti oltre i 65 anni. Il trattamento dei pazienti con LSS si basa sulle sue manifestazioni cliniche. Dopo iniziale fallimento di terapie conservative, diversi autori consigliano il trattamento chirurgico. Scopo del nostro lavoro clinico prospettico non randomizzato è stato studiare risultati, efficacia, e complicanze a breve termine del trattamento della LSS mediante recalibraggio decompressivo associato ad artrorisi interspinosa, analizzando mediante la gait analysis il reale effetto su equilibrio e motilità della colonna segmentale lombare e globale. Tra Marzo 2009 e Marzo 2010 sono stati selezionati per il nostro studio 12 pazienti, 4 (33.3%) femmine, 8 (66.7%) maschi. L’età media era 63.50±15.23 (range 39-82) anni. Sono stati trattati in media 2.50±0.80 (range 1-4) livelli stenotici sintomatici per paziente. Il tempo operatorio medio è stato 90.42±18.40 minuti. Le perdite ematiche intraoperatorie sono state trascurabili. Il ritorno alla deambulazione autonoma è avvenuto dopo una media di 1.83±0.58 giorni dall’intervento. La durata media dell’ospedalizzazione è stata 3.08±1.08 giorni. I risultati del nostro studio clinico prospettico non randomizzato a breve termine dimostrano come l’intervento di recalibraggio associato a distrazione interspinosa Coflex sia procedura efficace e sicura nel trattamento della stenosi del canale vertebrale lombare severa multilivello. Questo intervento, oltre alla risoluzione dei sintomi, porta ad un miglioramento della funzionalità e delle capacità dei pazienti. Tutti i pazienti erano soggettivamente soddisfatti dell’intervento effettuato, con un indice di soddisfazione personale medio di 8.83±1.11 su una scala da 0 a 10. Dopo l’intervento si ha un miglioramento statisticamente significativo del dolore (pv=0.000), della funzionalita’ lombare (pv=0.000), e dello stato di salute (pv=0.000). La gait analysis ha dimostrato un miglioramento della funzionalità e delle capacità dei pazienti non solo legato a questionari clinici soggettivi, ma rilevato oggettivamente. Si ha un miglioramento della motilità della colonna su tutti i 3 piani dello spazio (pv=0.001 sia per la flesso-estensione, che per la deviazione laterale, che per la rotazione assiale), una ridistribuzione dei carichi sull'asse antero-posteriore ed una migliorata distribuzione delle pressioni plantari durante le prove statiche, segno di maggiore equilibrio, una riduzione degli atteggiamenti posturali attuati per prevenire il dolore, un miglioramento delle capacità deambulatorie. Sarà importante tenere seguito nel tempo questo gruppo di pazienti, implementando sia il campione che il follow-up, per verificare l’effettiva tenuta nel tempo dei risultati, nodo cruciale nella scelta del trattamento.diante gait

The eradication of glioblastoma multiforme (GBM) (WHO grade 4) remains a tremendous clinical challenge in human oncology. Indeed, this tumor accounts for the most common, aggressive and lethal primary brain cancer in adults, exhibiting a dismal prognosis, despite extensive surgical resection and adjuvant radio- and chemo-therapy. The finding that GBM contains functional subsets of cells with stem-like properties named glioblastoma stem cells (GSCs) has opened up novel opportunities and promises for the development of new therapies for this devastating cancer. GSCs are self-renewing, multipotent cells, with the capacity to establish and maintain glioma tumors at the clonal level, leading to the hypothesis that they are tumor-initiating cells. Moreover, these rare subpopulations of cells possess an elevated proliferative potential, and intrinsic resistance to therapy, being thus considered a key determinant driving tumor growth, and relapse after resection and therapy. In serum free culture conditions, GSCs form neurospheres. free-floating cell aggregates with a spheroid morphology. These neurospheres preserve many of the important characteristics of the parent tumor, as cell heterogeneity and the ability to drive the parent tumor’s cell invasiveness, when transplanted in murine brain. In addition, GSCs possess the capacities to give rise to a heterogeneous population of cells such as endothelial cells (glioblastoma endothelial cells, GECs) which may directly participate in the vascularization, a critical step in tumors, particularly in malignant GBM, one of the most vascularized/angiogenic tumor described. Moreover, it has been observed that microvasculature structures are the regions responsible for the localization and the maintenance of GSCs. Different molecules, including lipid mediators appear to play a key role in the GBM microenvironment. Among lipid mediators involved in GSC properties, ceramide (Cer) and sphingosine-1-phosphate (S1P) has recently emerged as key signals, able to control growth, invasion, and therapy resistance in various human cancers, including GBMs. Of relevance, the presence of S1P in both glioma cell lines and human gliomas is critical for tumor cell proliferation and survival, a down-regulation of sphingosine kinase 1 (SK1) suppressed growth of human GBM cells and xenografts, and a higher expression of S1P receptor 1 (S1PR1) in GBM has been correlated with poor prognosis. However, little is known on the role of Cer and S1P in GSCs. Recent studies reported that S1P acts as an invasive signal in GSCs, and that the inhibition of SKs, or the administration of a S1PR antagonist, results in GSC death. Very recently it was reported that GSCs derived from U87GBM cells, and those isolated from a human GBM specimen can release S1P extracellularly, and that S1P acts as a first messenger to enhance GSC chemoresistance to Temozolomide. In GSC invasiveness and chemoresistance very little is known about autocrine machinery controlling GSC proliferation and particularly on the significance of S1P in these events. In order to expand previous investigation on S1P and to better understand its role on GSC activity and chemoresistance in this project I focused on the pivotal role of S1P on GSC stemness properties.

La ricostruzione della dura madre rappresenta una delle ultime ma fondamentali fasi di un intervento neurochirurgico. Infatti, un’inadeguata chiusura della dura espone i pazienti a temibili complicanze che aumentano in modo significativo i tassi di morbidità e mortalità post-operatoria. Diversi sostituti/sigillanti durali sono utilizzati con risultati non sempre ottimali. Per risolvere tale problematica, il nostro gruppo ha precedentemente proposto, e verificato la fattibilità in un modello porcino, una saldatura laser della dura madre mediante patch di chitosan imbevuti con verde di indocianina. In questo lavoro, presentiamo l’ottimizzazione della suddetta tecnica di sutura durale, sia ex vivo (su dura madre di maiale ed umana) sia in vivo (in ratti adulti ed anziani). Un laser ad emissione continua (lunghezza d’onda 810 nm) è stato utilizzato per saldare patch di chitosan imbevuti con verde di indocianina alla dura madre. Test ex vivo hanno permesso di ottimizzare i parametri del laser, eseguendo una valutazione istologica e della pressione di tenuta per studiare la saldatura stessa. I test in vivo sono stati eseguiti su 32 ratti Wistar adulti e 16 anziani: la saldatura laser è stata effettuata in 16 ratti adulti e 8 anziani (gruppi di trattamento sperimentale), mentre una matrice collagene non suturabile è stata utilizzata per la duroplastica nei restanti animali (gruppi di controllo). Successivamente, ai follow-up pianificati (rispettivamente, i ratti adulti a 20, 60, 90, o 120 giorni dall’intervento chirurgico, e gli anziani il ventesimo o novantesimo giorno post-operatorio), 4 ratti nel gruppo di trattamento e 4 nel gruppo di controllo sono stati anestetizzati per eseguire test di tenuta della duroplastica, e per prelevare campioni per analisi istologica ed immunoistochimica. I risultati dello studio hanno indicato che la procedura di saldatura laser da noi proposta determina, sia ex vivo sia in vivo, un’immediata chiusura durale senza la necessità di aggiuntive suture convenzionali, potenzialmente riducendo quindi i tempi chirurgici. Nei differenti modelli, i valori della pressione di tenuta sono stati sempre più elevati della normale pressione intracranica. Inoltre, nel modello murino, la saldatura laser ha permesso di ottenere pressioni di tenuta statisticamente più elevate di quelle registrate con la matrice collagene. Nessuna complicanza, né deficit post-operatorio, è occorsa nei ratti. L’analisi istologica ha documentato una buona adesione tra i patch di chitosan e la dura madre, senza un significativo effetto termico. I patch di chitosan hanno efficacemente funzionato da scaffold biopolimerici per la rigenerazione della dura madre, come evidenziato dall’analisi istologica e dalla microscopia confocale. La saldatura laser della dura madre è stata eseguita in sicurezza e in modo efficace anche nei ratti anziani. I nostri dati sono in favore del presumibile ritardo età-dipendente nel processo di guarigione. Tuttavia, nessuna significativa differenza funzionale è stata rilevata in termini di pressione di tenuta. Inoltre, la massima temperatura registrata dopo l’irradiazione (<55°C) è, di gran lunga, inferiore alle temperature riportate nei precedenti studi di saldatura laser della dura madre. Quindi, la tecnica di saldatura laser da noi proposta può rappresentare un’alternativa sicura e valida alle tecniche tradizionali di chiusura durale, in particolare quando le tecniche di sutura convenzionali potrebbero essere rischiose e/o estremamente difficili, ad esempio quando si lavora in corridori chirurgici stretti e profondi (approcci key-hole o endoscopici endonasali), in caso di re-intervento, o in seguito a radioterapia.
Dura mater reconstruction represents a crucial step of a neurosurgical procedure. Indeed, an inadequate dural closure may determine dreadful consequences that significantly increase morbidity and mortality rates. Different dural substitutes/sealants have been used with suboptimal results. To overcome this issue, we previously proposed a laser-based approach to the bonding of porcine dura mater by means of Indocyanine Green (ICG)-infused chitosan patches, evidencing the feasibility of the laser assisted procedure. In this work, we present the optimization of the laser bonding approach for dura mater reconstruction, both ex vivo (in porcine and human tissues) and in vivo (in adult and old rats). An 810 nm continuous-wave diode laser was used to weld the ICG stained chitosan patch to the dura. The ex vivo tests enabled to optimize the laser parameters, using histology and leak pressure evaluation to study the bonding effect. The in vivo tests were performed on 32 adult and 16 old Wistar rats: laser bonding was carried out in 16 adult and 8 old rats (treatment groups), while a non suturable collagen matrix was used for duroplasty in the remaining animals (control groups). Then, at the planned follow-ups (respectively, the adult rats at 20, 60, 90, or 120 days after surgery, and the old rats on postoperative day 20 or 90), four rats in the treatment and four rats in the control groups were anesthetized for fluid leakage pressure test of the duroplasty, as well as for obtaining specimens for standard histology and immunohistochemistry. The results of this study pointed out that the laser bonding procedure provides, both ex vivo and in vivo, an immediate dural closure without the need of any standard suturing, thus potentially reducing surgery times. In all the different models, the fluid leakage pressure values were always higher than the normal intracranial pressure. In addition, in the murine model, the laser bonding allowed to achieve fluid leakage pressure values statistically higher than those recorded with the collagen matrix as dural graft. No postoperative complication/neurological injury occurred in rats. The histological analysis evidenced a good adhesion between the chitosan patches and the dura mater, without a significant thermal effect. Chitosan patches effectively worked as biopolymeric scaffolds for dura mater regeneration, as evidenced by the histological analysis and the confocal microscopy. The laser bonding of dura mater was safely and effectively employed in old rats. Our data were in favor of the suggested age-related delay in the healing process. However, no significant functional differences were revealed in terms of fluid leakage pressure. Moreover, the maximum measured temperature after irradiation (<55°C) was, by far, well below the value reported in the previous studies on dural closure with laser tissue welding. Hence, the technique can be proposed as a safe and valid alternative to traditional procedures for dural closure, in particular when the conventional suture technique is risky and/or extremely difficult, i.e. when working through narrow and deep surgical corridors (e.g. key-hole or endoscopic approaches), in case of reoperation, or following radiotherapy.

Introduction: Fluorescein is widely used as a fluorescent tracer for many applications. Its capability to accumulate in cerebral areas with blood-brain barrier damage makes it an ideal dye for intraoperative visualization of high-grade gliomas (HGG). This study presents a new fluorescein-guided technique to remove HGG with a dedicated filter on the surgical microscope (FLUOGLIO trial). Methods: The FLUOGLIO study is a prospective phase II-trial to evaluate safety and obtain initial indications about efficacy of fluorescein-guided surgery for HGG. Since September 2011, 24 patients (age range 45-74 years) were enrolled in the study. Fluorescein was intravenous injected after intubation (5-10 mg/Kg). Tumor was removed with microsurgical technique and fluorescence visualization by BLU400 or YELLOW560 filters on the Pentero microscope (Carl Zeiss, Germany). Degree of tumor resection was calculated on an early (within 72 hours of surgery) postoperative MRI. In 11 patients, biopsies were performed at the tumor margin in order to evaluate sensitivity and specificity of fluorescein in tumor tissue identification. The study was approved by our Ethical Committee and registered on the European Regulatory Authorities website (EudraCT No. 2011-002527-18) Results: Median pre-operative tumor volume was 33.1 cm3 (1.3-87.8 cm3). No adverse reaction related to the administration of fluorescein was registered. Contrast-enhanced tumor was completely removed in 83% of the patients on early postoperative MRI. The remaining patients had a mean tumor resection of 92.6%. Median follow-up was 12 months. The biopsies at the tumor margins gave a preliminary estimation of sensitivity and specificity of fluorescein in identifying tumor tissue of 95% and 86% respectively. Conclusion: The presented data suggest that fluorescein-guided technique with a dedicated filter on the surgical microscope is safe and allows a high-rate of complete resection of HGG at the early post-operative MRI.

ABSTRACT Peripheral nerve injury is a common clinical problem significantly affecting the patients’ quality of life. In case of severe transections, the bridging of the gap between the proximal and distal nerve stumps is required and autologous nerve grafts using sensory nerves (i.e. the sural nerve or antebrachial cutaneous nerve) are the current criterion standard. Nevertheless, donor-site morbidities, permanent loss of function, size mismatch between the donor nerve and the injured nerve and poor functional recovery rates have prompted the interest towards the identification of an alternative to this technique. To date, surgeons and researchers are turning their attention towards different grafts made of biological or artificial polymers. In fact, the development of hollow nerve guide conduits a) creating an adequate microenvironment for nutritional support/axons regeneration; b) acting as a barrier against the surrounding tissue infiltration; c) matching the effectiveness of the autologous nerve graft, would be beneficial to the field of peripheral nerve surgery. Over the years, many biomaterials of natural or synthetic origin and with different characteristics in terms of biodegradability have been studied. However, it has not been identified yet a prosthesis able to guarantee a better regenerated tissue than the others.
The aim of the present study was to manufacture and investigate in vitro and in vivo the characteristics and the regenerative potential of three different nerve conduits made up of polyvinyl alcohol (PVA); 1% Oxidized PVA (1% Ox PVA) and Silk-Fibroin (SF). While the use of PVA and SF for the realization of neuro-guides has already been studied in the past, oxidized PVA (recently patented by our research group) is a new material for this purpose. In parallel, this study also allowed to assess the quality of axonal regeneration guaranteed by neuro-guides with different origin (synthetic vs. natural) and biodegradation properties (vs non-biodegradable biodegradable). After preparing the three different polymer solutions, disk-shaped and tubular supports were manufactured. These were employed for in vitro and in vivo studies respectively. Considering in vitro analysis, a morphological characterization of supports was performed by Scanning Electron Microscopy (SEM). Thereafter, the biocompatibility and the biological activity of the three different scaffolds was assessed using a Schwann-cell line (SH-SY5Y). Cells were seeded on supports and their adhesion and proliferation was evaluated by SEM and MTT assay at two different end-points (3 and 7 days from seeding). Regarding in vivo tests, nerve conduits were implanted in animal models (Sprague-Dawley rats) of peripheral nerve injury with loss of substance (nerve gap: 5 mm). At 12-weeks from surgery, the functional recovery of the sciatic nerve was assessed; thereafter, the animals were euthanized and the dissection occurred. Prior to explant, the gross appearance of grafts was carefully observed in situ. Specimens were than processed for histological (hematoxylin and eosin staining) and immunohistochemical analysis (anti-CD3; anti-S100) as well as for further Transmission Electron Microscopy (TEM) analysis. The objective was to assess the quality of the regenerated nerve-tissue highlighting any differences in efficacy between the three types of nerve-conduits; to this end, the histomorphological analysis has been fundamental allowing to quantify the axons (myelinated vs unmyelinated nerve fibers) at different levels of the explant (proximal vs central vs distal portion); the controlateral sciatic nerve was used as control. Considering the in vitro results, SEM micrographs showed that PVA and SF supports have a smooth and regular surface; conversely, a certain roughness was noticed observing the ultrastructure of 1% Ox PVA disk-shaped scaffolds. Despite the superficial appearance of supports, it does not seem to affect the interaction with the cells. In fact, PVA-based scaffolds do not support cell adhesion and proliferation; SEM analysis and the MTT assay do not identified the presence of SH-SY5Y cells after 3 and 7 days from seeding. This result can be attributed to the high hydrophilic nature of the hydrogels. Conversely, SF scaffolds are adequate to promote SH-SY5Y cells growth. Regarding the in vivo study, all nerve conduits showed good characteristics in terms of handiness, being easy-suturing and demonstrating also an adequate tear-resistance feature; PVA-based scaffolds appear more flexible than SF guides. After 12 weeks from surgery, all animals showed a sciatic nerve functional recovery; in particular, all of them supported their body weight on the hind leg even though animals implanted with PVA and SF nerve conduits sometimes showed spasms during the walk while not limping. On the contrary, animals implanted with 1% Ox PVA nerve conduits exhibited a normal movement. At the time of dissection, the three scaffolds were still clearly identifiable. Any dislocation of the grafts or neuroma formation at the stumps was observed; moreover, the transparency of the three scaffolds allowed to identify the presence of a regenerated tissue inside. Thereafter, histological and immunohistochemical analysis were performed to evaluate the quality of axonal regeneration. Preliminarily, the haematoxylin and eosin staining of the specimens (cross-section of the central portion) highlighted the morphological integrity of the structure. In fact, three layers are recognizable proceeding from the periphery to the inside of the sections: an external fibrous capsule; a layer corresponding to the nerve conduit; a homogeneous and dense regenerated tissue in the middle. The biocompatibility of the grafts was verified by immunohistochemical analysis; anti-CD3 immunohistochemistry demonstrated the absence of severe inflammatory reactions. At the same time, several S100+ cells were identified suggesting the extensive presence of Schwann-cells. In parallel, the typical peripheral nerve morphology was highlighted also by Toluidine Blue staining by means of was considered also the appearance of the proximal and distal stumps. Although all samples support the recovery of the lesion, some differences can be found between the three experimental groups; these results were confirmed also by TEM micrographs. The histomorphometric analysis of samples evaluated the total axons number per nerve and axon density (axons/μm2); for each graft were considered the proximal, the central and the distal section. The collected data showed that 1% Ox PVA conduits assure a better outcome in nerve regeneration than the non-biodegradable PVA grafts which among the three groups proved to be the ones with the lower outcomes.
The results of this study showed that all nerve conduits considered (PVA; 1% Ox PVA and SF) promote peripheral nerve regeneration in case of neurotmesis with loss of substance. Considering the quality of regenerates, better outcomes were observed analyzing the 1% Ox PVA explants compared to PVA and Silk-Fibroin ones.
RIASSUNTO Le lesioni nervose periferiche costituiscono un problema clinico piuttosto comune, il quale inficia in modo significativo la qualità della vita dei pazienti. In caso di lesioni gravi con perdita di sostanza, al fine di colmare il gap tra il moncone prossimale ed il distale, il gold- standard prevede l’impianto di innesti nervosi autologhi utilizzando nervi sensoriali (ad es., nervo surale o nervo cutaneo antibrachiale). Tuttavia, criticità quali la morbidità del sito donatore, la perdita in funzionalità, la mancata corrispondenza dimensionale tra il nervo donatore ed il nervo lesionato oltre ad uno scarso recupero funzionale hanno spinto l'interesse verso l'identificazione di un approccio alternativo. Allo stato dell’arte, chirurghi e ricercatori stanno volgendo la loro attenzione verso innesti polimerici diversi (grafts) di natura sia biologica che artificiale. Infatti, lo sviluppo di neuroguide capaci di: a) creare un microambiente ideale per la rigenerazione assonale; b) fornire una protezione dall'infiltrazione di tessuto circostante; c) possedere un’efficacia analoga a quella garantita dall’innesto nervoso autologo; costituirebbe un vantaggio significativo nell’ambito della chirurgia del nervo periferico. Nel corso degli anni, sono stati studiati molti biomateriali di origine sia naturale che sintetica aventi caratteristiche differenti in termini di biodegradabilità. Tuttavia, considerando la qualità del tessuto rigenerato, non è ancora stata individuata una protesi più performante rispetto alle altre. L’obiettivo di questo studio è stato quello di allestire e studiare, sia in vitro che in vivo, le caratteristiche ed il potenziale rigenerativo di tre diverse neuroguide rispettivamente costituite da: alcool polivinilico (PVA); PVA ossidato 1% (PVA Ox 1%) e Fibroina della Seta (FS). Mentre l’impiego di PVA e FS per la realizzazione di grafts è già stato investigato in passato, il PVA Ox 1% (recentemente brevettato dal nostro gruppo di ricerca) costituisce un nuovo materiale per questo scopo. In parallelo, questo studio ha anche consentito di confrontare la qualità della rigenerazione assonale sostenuta da neuroguide diverse sia per origine (sintetica vs naturale) che per proprietà biodegradative (biodegradabili vs nonbiodegradabili).
Dopo aver allestito le tre diverse soluzioni polimeriche, sono stati quindi preparati scaffolds sia discoidali che in forma di graft tubulare, utilizzati rispettivamente per i successivi studi in vitro e in vivo. Nell’ambito degli studi in vitro, è stata effettuata una caratterizzazione morfologica dei supporti mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Successivamente, la biocompatibilità e l'attività biologica dei tre differenti scaffolds è stata valutata utilizzando una linea di cellule di Schwann (SH-SY5Y). Le cellule sono state seminate sui supporti e la loro adesione e la proliferazione è stata valutata mediante saggio MTT oltre che SEM a due differenti end-point (3 e 7 giorni dalla semina). Per quanto riguarda lo studio in vivo, i graft tubulari sono stati impiantati in modelli animali (ratti Sprague- Dawley) di lesione nervosa periferica con perdita di sostanza (gap tra moncone prossimale e distale: 5 mm). A 12 settimane dalla chirurgia, è stato valutato il recupero funzionale del nervo sciatico; successivamente, gli animali sono stati sacrificati. Dopo dissezione, prima di procedere all’espianto, l'aspetto macroscopico degli innesti è stato attentamente osservato in situ. I campioni sono stati quindi prelevati e trattati per le successive analisi istologiche (ematossilina ed eosina) ed immunoistochimiche (anti-CD3; anti-S100) nonché per ulteriori analisi di microscopia elettronica a scansione (TEM). L'obiettivo è stato quello di valutare la qualità del tessuto rigenerato evidenziando eventuali differenze di efficacia tra i tre tipi di grafts; a tal fine, anche l'analisi istomorfologica si è rivelata fondamentale, permettendo essa di quantificare gli assoni (mielinici vs amielinici) in diverse porzioni del campione (porzione prossimale vs centrale vs distale). Il nervo sciatico controlaterale è stato usato come controllo. Considerando i risultati degli studi in vitro, le immagini al SEM hanno mostrato come i supporti in PVA e FS mostrino una superficie liscia e regolare; al contrario, una certa ruvidità è stata notata osservando l’ultrastruttura degli scaffold discoidali in PVA Ox 1%. Nonostante il diverso aspetto ultrastrutturale dei supporti, esso non sembra influenzare l'interazione con le cellule. Il PVA (sia nativo che ossidato) non sostiene l'adesione e la proliferazione cellulare; infatti, sia le analisi al SEM che il saggio MTT non hanno identificato la presenza di cellule SH-SY5Y dopo 3 e 7 giorni dalla semina. Questo risultato può essere attribuito alla elevata idrofilia degli idrogeli Al contrario, gli scaffold in FS sono adeguati per promuovere la crescita delle SH-SY5Y. Per quanto riguarda lo studio in vivo, tutti i graft mostrato buone caratteristiche in termini di manipolabilità, essendo facilmente suturabili e dimostrando anche una adeguata resistenza allo strappo; gli scaffold in PVA appaiono più flessibile rispetto alle guide in FS. Dopo 12 settimane dalla chirurgia, tutti gli animali hanno mostrato un certo recupero funzionale dell’arto operato; in particolare, tutti distribuivano il proprio peso corporeo anche sulla zampa posteriore. Pur non zoppicando, gli animali impiantati con PVA e SF mostravano talvolta degli spasmi durante la deambulazione, al contrario, gli animali impiantati con graft in PVA Ox 1% esibivano un movimento normale. Al momento della dissezione, i tre graft erano ancora chiaramente identificabili. Non è stata riscontrata alcuna dislocazione degli innesti o formazione di neuroma in corrispondenza dei monconi; inoltre, la trasparenza delle tre neuroguide ha permesso di identificare la presenza di un tessuto rigenerato al loro interno. Successivamente, sono state effettuate analisi istologiche ed immunoistochimiche per valutare la qualità della rigenerazione assonale. Preliminarmente, mediante colorazione con ematossilina ed eosina (sezione trasversale della porzione centrale) è stato possibile mettere in evidenza l'integrità morfologica della struttura. Procedendo dalla periferia della sezione verso l'interno sono riconoscibili: una capsula fibrosa esterna; il graft; ed il tessuto neo-rigenerato, omogeneo e denso, nel mezzo. La biocompatibilità degli innesti è stata verificata mediante analisi immunoistochimica; la scarsa presenza di cellule CD3+ ha dimostrato l'assenza di reazioni infiammatorie gravi riconducibili all’impianto. Contestualmente, l’elevata presenza di elementi S100+ riscontrata in tutti i campioni ha comprovato una evidente rigenerazione assonale. In parallelo, la morfologia tipica del tessuto nervoso periferico è stata altresì evidenziata mediante colorazione con Blu di Toluidina mediante la quale è stato considerato anche l'aspetto dei monconi prossimale e distale.
Sebbene tutti i campioni supportino il recupero della lesione, alcune differenze possono essere riscontrate tra i tre gruppi sperimentali; questi risultati sono stati confermati anche dalle micrografie al TEM. L'analisi morfometrica dei campioni ha valutato il numero totale di assoni/nervo e la loro densità (assoni / μm2); per ogni innesto sono state considerate le sezioni prossimale, centrale e distale. I dati raccolti hanno dimostrato che il PVA Ox 1% assicura un risultato migliore nella rigenerazione assonale rispetto agli innesti non biodegradabili in PVA, il quale tra i tre gruppi è risultato essere quello con l’outcome inferiore. I risultati di questo studio hanno mostrato che, in caso di neurotmesi con perdita di sostanza, tutti i graft allestiti (PVA; PVA Ox 1% e FS) promuovono la rigenerazione del nervo. Considerando la qualità del tessuto rigenerato, sono stati osservati dei risultati migliori con graft in PVA Ox 1% rispetto a quelli ottenuti da neuroguide in PVA e FS.

Background: L'emorragia subaracnoidea (ESA) è una condizione patologica caratterizzata da un accumulo di sangue nello spazio subaracnoideo conseguente a trauma cranico o rottura di un aneurisma. Il decorso clinico è gravato da complicanze cerebrovascolari e sistemiche che peggiorano significativamente la prognosi del paziente. La complicanza più comune e grave dell’ESA è il vasospasmo dell’arteria basilare, che può causare ischemia cerebrale. L'intensa reazione infiammatoria che si sviluppa nello spazio subaracnoideo costituisce un importante fattore patogenetico del vasospasmo. Le complicanze periferiche infettive e infiammatorie,assai frequenti in pazienti con ESA, sembrano essere anche una conseguenza diretta del danno cerebrale. Infatti, il rilascio di citochine nel SNC attiva in modo incontrollato l’asse ipotalamo-ipofisi-surrene, il sistema nervoso simpatico e la via anti-infiammatoria colinergica. Ciò causa l’induzione di uno stato di immunodepressione che aumenta la suscettibilità dell'organismo alle infezioni. Contemporaneamente, nei tessuti periferici, si verifica l'attivazione della risposta flogistica e dell’infiltrazione leucocitaria. Ad oggi, non esiste ancora una strategia risolutiva per il trattamento dell’ESA. Le melanocortine potrebbero costituire un'opportunità terapeutica innovativa. Tali peptidi, derivati dal precursore pro-opiomelanocortina, sono rappresentati principalmente dall’l'ormone -melanocitostimolante (-MSH) e dalll'adrenocorticotropina (ACTH). Essi esercitano potente attività anti-infiammatoria, anti-piretica e immunomodulante. Gli effetti delle melanocortine si esplicano attraverso la modulazione dell’espressione di mediatori pro-infiammatori e l’attivazione di circuiti neurali immunomodulanti endogeni. Obiettivi Della Ricerca: L'obiettivo generale è proporre un nuovo approccio terapeutico per il trattamento dell’ESA. Gli scopi specifici erano: A) Identificare e caratterizzare le modificazioni molecolari indotte a livello dell'arteria basilare e negli organi periferici (milza, fegato e intestino) durante ESA sperimentale; B) Valutare l'efficacia della terapia con una melanocortina sintetica nel prevenire o attenuare le alterazioni associate all'ESA. Lo studio è articolato in 3 fasi: 1) Sviluppo del modello di ESA nel ratto; 2) Analisi molecolare delle ripercussioni precoci e tardive nell’arteria basilare e in periferia; 3) Valutazione dell’efficacia terapeutica delle melanocortine. Risultati: Ottimizzazione e standardizzazione della procedura basata su singola iniezione di sangue autologo in cisterna magna per indurre l’ESA nel ratto. L’analisi di gene profiling indica che l’ESA induce già a 4 ore una profonda alterazione del profilo di espressione dell’arteria basilare. La valutazione del calibro dell'arteria a 5 giorni mostra una riduzione del diametro vascolare del 50%. I risultati preliminari in organi periferici forniscono indicazioni circa la capacità dell’ESA di attivare una risposta extracerebrale e incoraggiano il proseguimento della ricerca allo scopo di caratterizzare in maniera più approfondita tale fenomeno. Il trattamento sistemico con la melanocortina sintetica NDP-MSH ha prevenuto molte delle alterazioni indotte dall’ESA nell’arteria basilare. L’effetto protettivo sembra essere esercitato attraverso la modulazione di diverse vie di segnalazione. NDP-MSH ha ridotto significativamente la vasocostrizione dell’arteria basilare a 5 giorni post-ESA.
Background: Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a pathological condition caused by bleeding into the subarachnoid space. Central and peripheral complications worsen patient outcome. Vasospasm is a severe central complication of SAH. It can cause ischemia and permanent brain damage or death. Bleeding-induced inflammation in the subarachnoid space contributes to vasospasm pathogenesis. In addition, peripheral organs develop inflammatory and infectious complications that seem to be a direct consequence of central injury. Indeed, cytokine production induced by brain damage causes activation of hypothalamic-pituitary-adrenal axis, sympathetic nerve signalling and cholinergic anti-inflammatory pathway. These signals induce immunodepression that could partly account for SAH-related increased susceptibility to infection. In peripheral tissues, activation of 2-adrenoreceptors triggers local inflammatory response and leukocyte recruitment. No consistently efficacious therapies have been identified and implemented in clinical practice for this dire condition. Treatment with melanocortins could constitute an innovative therapeutic strategy. Melanocortin peptides, such as -melanocyte-stimulating hormone (-MSH) and adrenocorticotropic ormone (ACTH), are pro-opiomelanocortin derivatives that exert potent anti-inflammatory, immunodulatory, and antipyretic action. These molecules can directly modulate expression of pro-inflammatory molecules in responsive cells and activate endogenous anti-inflammatory neural circuits. Objectives: The general aim in the present research is to implement a novel therapeutic approach for SAH treatment. Specific goals were: A) To identify and characterize SAH-induced molecular alterations in the basilar artery and in the spleen, large intestine and liver; B)To evaluate whether melanocortin treatment can attenuate SAH-associated central and peripheral complications. The present research is divided in 3 phases: 1) Development of an experimental model to induce SAH in the rat; 2) Analysis of SAH-associated molecular alterations in the basilar artery and in peripheral organs at 4 hours and 5 days post-hemorrhage; 3) Evaluation of the potential protective action of melanocortin treatment. Results: Optimization and standardization of surgical procedure based on single autologous blood injection into the cisterna magna to induce SAH in the rat. Gene profiling analysis indicates that SAH induced a profound gene expression alteration in the basilar artery at 4 h. Morphometric analysis shows a marked vasoconstriction in the basilar arteries from the SAH group relative to controls. Preliminary data indicate that hemorrhage exerts detrimental effects in the spleen and liver. Further investigations are required to better analyze peripheral consequences of central injury. Systemic administration of the synthetic melanocortin NDP-MSH prevented most of SAH-induced alterations in the basilar artery. Protective effect is exerted through modulation of different signaling pathways. In addition, NDP-MSH significantly attenuated basilar artery vasoconstriction at 5 days post-SAH.

This PhD project was funded by EDEN2020 (Enhanced Delivery Ecosystem for Neurosurgery in 2020). Brain disease represent a cost about 800 billion euros per year in Europe and outcome of treatment is demonstrated to critically depend on the knowledge of functional anatomy and its preservation. By combining pre-operative MRI and diffusion-MRI imaging, intra-operative ultrasounds, robotic assisted catheter steering, brain diffusion modelling and a robotics assisted neurosurgical robot (the Neuromate), EDEN2020 aims at realizing an integrated technology platform for minimally invasive neurosurgery which will provide a significative step change in treatment of brain disease. To date, neurosurgical instruments for diagnostic and therapy (drugs infusion) are inserted via rigid cannulas. This represents a primary technological limitation of treatment with direct consequences in patient’s post-operative outcome, since the insertion of rigid cannulas cannot be planned along procedure-optimised trajectories which take into account tissue microstructures and respect the bundles’ topographical anatomo-functional organisation. To bridge this gap, main aim of EDEN2020 is to engineer a steerable catheter for chronic neuro-oncological disease than can be robotically guided and kept in situ for extended period, which insertion can be tailored on clinical conditions and individual anatomy. The correct trajectory and final positioning of a catheter must be planned and guided through the brain structures by the knowledge of the anatomo-functional organization of the neural circuits subserving the essential motor and cognitive functions to avoid lesions resulting in permanent deficits impacting on the quality of life of patients. In addition, since the diffusivity is enhanced when it follows the white matter pathways belongings to the network in which an individual tumour has grown, as showed by data generated by EDEN consortium, these circuits became the target of the drug. In EDEN animal trials (ovine model), the circuit targeted for delivery was the corticospinal tract, due to the anatomical restriction imposed by the sheep brain. In humans, this descending system, which is essential for everyday life activities allowing the skilled use of the hand (i.e. the ability to manipulate objects and tools), has a much higher level of complexity and its functional organisation has not yet been described in detail as in other animal models. The complexity of the neural organization underlying motor control of hand gestures in humans results in a dramatic degree of freedom, but at the same time in a poor ability to recover after lesions. When this connectivity is infiltrated by a tumour and thus became the possible target of drug delivery devices (EDEN), its complexity must be taken into consideration to avoid the onset of deficits. The great majority of brain tumours occurs in the frontal lobe and, particularly Low Grade Gliomas (LGGs), develop close or within the cortical but mostly subcortical structures involved in motor control. Therefore, to track safely the entrance and the trajectory of catheters, a reference atlas of the neural circuitry controlling hand movement is mandatory to identify which cortical and subcortical areas must not be lesioned to avoid permanent inability. Based on this premises, this PhD project investigated, with a multidisciplinary approach, the frontal networks subserving hand function to provide a frame for understanding the connectivity involved in hand skilled movements, which became a possible target for drug delivery in tumours developing in primary motor and/or pre-motor regions. The skilled use of the hand is allowed by the high level of human sensorimotor control implemented by the corticospinal system, particularly developed in primates, connecting distant and functionally different areas via subcortical bundles and finally acting on the spinal cord with a huge bundle of descending fibres. This complex network computes the sensory information related to the goal of the action to shape the appropriate motor command for motoneurons, the final common path to muscles. Non-human primate studies have demonstrated that the main motor output of the corticospinal tract is the primary motor cortex (M1), which act on the spinal motoneurons, in producing voluntary hand and finger movements. The monkey M1 has recently been demonstrated to represent an anatomo-functional non-unitary sector, subdivided in a caudal region dense with cortico-motoneuronal cells and a rostral sector with few monosynaptic connections to alpha-motoneurons and/or with slower projections to the spinal cord. To control and execute skilled hand movements, M1 is highly interconnected with other frontal and parietal cortical pre-motor regions, with subcortical structures such as the basal ganglia and with the cerebellum. A precise description of the human circuitry allowing for realization of dextrous hand movement is still missing in the human, as the electrophysiological and anatomical experimental approaches developed in animal models cannot be performed (i.e. intracortical microstimulation, neuronal tracing, lesion studies etc.). The unique setting of brain tumour resection with the brain mapping technique gives a great opportunity to use clinical data to evaluate neural networks in humans. In this setting, during surgical resection, Direct Electrical Stimulation (DES) is applied onto the exposed cortical and subcortical areas in order to identify the eloquent sites, i.e. where DES elicits motor responses, thus individuating the structures directly acting on the motor descending pathways, or induces transient impairment of the execution of a task, due to its interference with the physiological activity of the stimulated area. This approach allows for the extension of the resection of the tumour beyond its boundaries, increasing the patients’ survival while preserving their functional integrity. As has emerged by recent publications of our group, among the different stimulation paradigms available for intraoperative monitoring, the high frequency stimulation (‘the pulse technique’), which elicits motor evoked potentials (MEPs), is the most reliable paradigm for mapping the descending fibres originating form primary and non-primary motor areas, also in lesions infiltrating M1, while long and short-range fronto-parietal premotor pathways are well identified when low frequency stimulation (‘the Penfield technique’) is applied while the patient is performing a dedicated object manipulation task, clearly interfering with its performance. With a multidisciplinary approach, by combining electrophysiological data with virtual anatomical dissections by means of high angular resolution diffusion imaging (HARDI) tractography we correlated the functional properties of the stimulated sites with specific anatomical structures. In this PhD project, we focused on: the anatomo-functional properties of the human hand representation in M1 (study 1); the oncological and functional efficiency of high-frequency mapping in tumours harbouring within M1 (study 2); the frontal premotor pathways involved in controlling fine hand movements (study 3). Study 1, conducted on 17 patients who underwent an awake procedure, reported a possible subdivision, based on anatomo-functional analysis, of the human hand-knob in two sectors (a posterior one, close to the central sulcus, and an anterior one, close to the precentral sulcus) with different cortical excitability, different hand-muscle electromyographic (EMG) pattern when stimulations were delivered during the object manipulation task and, finally, with different local cortico-cortical connectivity. Overall data suggests that the two sectors may exert different roles in motor control. Study 2 consisted of a retrospective analysis of 102 patients who underwent an asleep procedure for the removal of tumours harbouring with M1 and its descending fibres. The neurophysiological protocols adopted for the intraoperative brain mapping were correlated with the clinical condition, the tumour imaging features, the extent of the resection and the post-operative functional outcome. First, results indicated that M1 tumour removal is feasible and safe and the high frequency stimulation was revealed as the most efficient and versatile paradigm in guiding resection of M1, affording 85.3% complete resection and only 2% permanent morbidity. The study confirmed the possible subdivision of M1 in a rostral less excitable region and a caudal more excitable region reported in Study1 with its clinical impact: the rostral sector can be indeed considered a safe point of entry for surgery and thus for catheters. Study 3 aimed at characterizing the effect of DES on the electrical activity (EMG) of hand movers during a dedicated object-manipulation task during subcortical stimulation of the frontal white matter anterior to M1 (precentral gyrus) and the anatomical evaluation of the stimulated sites by means of diffusion tractography, in 36 patients who underwent an awake surgery. Results indicated that stimulations of dorsal premotor connections with the spinal cord, dorsal striatum, local U-shaped connections and the superior longitudinal fasciculus I and II resulted in abrupt arrest of the hand, while more ventral stimulation, mainly targeting the third branch of the superior longitudinal fasciculus (SLF III) resulted in clumsy hand movements. Resection cavities analysis showed that transient post-operative upper-limb motor deficit occurred only disconnecting the supplementary motor area corticofugal fibres and the frontal U-shaped connections. Overall data suggests that DES on dorsal premotor white matter could interfere with areas involved in the very final stages of the motor program, while DES on ventral premotor white matter could halt the sensorimotor transformations necessary for correct hand shaping.

Title: Role and potential of endothelial progenitor cells in cerebral vasospasm Abstract: Background and aim: Despite many treatment approaches, cerebral vasospasm and delayed ischemic neuronal damage (DIND) still represent a serious threat to patients with subarachnoid haemorrhage (SAH). Endothelial progenitor cells (EPC) have been involved as prognostic indicators in several vascular diseases and mesenchymal stem cells already have shown some benefits in ischemic injury. Aim of this study was to investigate the therapeutic potential of endothelial progenitor cells (EPC) and mesenchymal stem cells (MSC) in attenuating or preventing vasospasm and DIND in patients with SAH. Methods: Given the emergent role of DIND as a result of multifactorial hypoperfusion stress in the outcome of SAH patients, the efficacy of EPC and MSC in reducing neuronal damage has been evaluated in an in vitro model of ischemia, namely the oxygen glucose deprivation (OGD), on primary rat cortical neuronal cultures. Further, we tested in a clinical observational study SAH patients with and without vasospasm for different recruitment patterns of circulating EPC. To this purpose arterial blood samples were collected at various timepoints from admission to discharge of the patients. On these samples real-time quantitative PCR (RT-qPCR) was performed to detect gene expression relative to EPCs, since cytofluorimetric analysis appeared not sensitive enough to detect this rare cell population. Results: Though present results need further confirmation, in vitro it was observed that both MSC and EPC treatment through conditioned medium or co-culture in transwell- although with some differences - mediate a survival advantage for OGD stressed neurons. Furthermore stem cell mediated treatment showed efficacy even when applied 24 hours after OGD stress induction. RT-qPCR results from a small sample of SAH patients might indicate an early mobilization of EPC related gene expression in subjects that do not develop vasospasm with a peak around day 4, whereas the expression of these genes remain invariably low in patients that develop vasospasm as in controls not affected by SAH. Conclusions: MSCs and EPCs seem to have an important potential role in preventing DIND in vitro as well as EPC recruitment might associate with lack of vasospasm in SAH patients. Further studies are needed to confirm these results and to prove a causal relationship between EPCs and vasospasm protection.

Background. Temozolomide (TMZ) is a methylating drug that is commonly used in the treatment of glioma. Although many features are still unclear, its general mechanism of action is well described. TMZ induces O6-methylguanine (O6MeG) lesions in DNA, which, in the absence of repair by O6-methylguanine methyltransferase (MGMT), mispair with thymine and start a futile cycle of repair-resynthesis events. The resultant DNA double-strand breaks (DSBs) activate the components of G2 checkpoint, and cells with a 4N DNA content accumulate and remain arrested at the G2/M boundary for several days. Cell death subsequently occurs by senescence, necrosis, or mitotic catastrophe, while apoptosis has been ruled out in many studies. Moreover, the effect of multiple TMZ treatments on G2 arrest and apoptosis induction is not clear. Repair of methylating drug-induced DNA lesions requires monoubiquitination of PCNA and FANCD2. Loss of either protein or inhibition of their monoubiquitination increases drug toxicity. USP1 is a hydrolase that removes monoubiquitin from PCNA and FANCD2, and can potentially play a role in TMZ mechanism of action. Materials and methods. U87, U251 (TMZ-sensitive, low MGMT), and GBM8 (TMZ-resistant, high MGMT) cell lines were used for experiments. The treatment was scheduled with 100μM TMZ for 3 hours for 1, 2, or 3 consecutive days. Cell cycle progression was studied with both FACS-based analysis and a novel time-lapse microscopic real-time analysis using FUCCI (Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator), and apoptosis was measured with FACS-based Annexin V-PI analysis. To address the possible role of USP1 in TMZ action, we examined expression of USP1 at the mRNA levels in expression microarray databases derived from primary GBM. We also used siRNA targeting USP1 to modulate USP1 expression, and studied the effect of USP1 downregulation on TMZ-induced G2 arrest, cell death, and clonogenicity. Results. Compared to single treatment, multiple TMZ treatments cause a significant reduction of clonogenicity in TMZ-sensitive cells and induce a significant increase of apoptosis, particularly in a late stage. However, multiple treatments don’t have any major effect on cell cycle profile. Time-lapse microscopic analysis with FUCCI system showed that TMZ-sensitive glioma cells arrest at the G2 checkpoint for less than 48 hours and, in the presence of an activated G2 checkpoint, they replicate their DNA without cellular division, re-enter the cell cycle at the next G1 phase, and repeat the cycle, ultimately giving rise to polyploid cells. siRNA-mediated suppression of USP1 had no effect on cell cycle progression or the extent of temozolomide-induced G2 arrest. However, while USP1 knockdown alone had minimal effect on cell death, it increased temozolomide-induced loss of clonagenicity both in TMZ-sensitive and TMZ-resistant cells. Further examination of the mechanism of cell death suggested that while control cells, control cells exposed to TMZ, or USP1-suppressed cells rarely underwent apoptotic cell death, temozolomide-treated cells in which USP1 levels were suppressed underwent high rates of apoptosis. Conclusions. The present studies show that TMZ can induce apoptosis in TMZ-sensitive glioma cells, which is visible after 3 days but significant after 7 days. Multiple TMZ treatments don’t affect cell cycle profile, but significantly increase apoptosis. Moreover, time-lapse studies suggest a novel mechanism of action for TMZ, alternative to the one commonly accepted. These results have significant implications for the development of TMZ resistance. Furthermore, rather than sensitizing cells to DNA damaging agents, USP1 appears to suppress latent apoptotic pathways and to protect cells from temozolomide-induced apoptosis. These results identify a new function for USP1 and suggest that suppression of USP1 and/or USP1 controlled pathway may be a means to enhance the cytotoxic potential of temozolomide and to sensitize TMZ-resistant GBM cells
Introduzione. La temozolomide (TMZ) è un farmaco alchilante frequentemente utilizzato nella chemioterapia dei gliomi. Nonostante molti aspetti siano ancora enigmatici, il suo meccanismo di azione generale è ben noto. La TMZ induce metilazione della guanina nel DNA (O6MeG) che, in assenza di riparazione ad opera di O6-methylguanine methyltransferase (MGMT), si appaia con una timina innescando un ciclo futile di riparazione e risintesi. Ne risultano rotture del DNA a doppio filamento (DSBs) che attivano i componenti del checkpoint in G2, e le cellule con DNA 4N si accumulano e arrestano in G2 per parecchi giorni. Le cellule muoiono poi per senescenza, necrosi, o catastrofe mitotica, mentre l’apoptosi è stata a lungo negata. Inoltre non è chiaro l’effetto di somministrazioni multiple di TMZ sull’arresto in G2/M e sull’induzione di apoptosi. La riparazione delle lesioni al DNA causate dai farmaci alchilanti richiede la monoubiquitinazione di PCNA e FANCD2; la perdita di una delle due proteine o l’inibizione della loro monoubiquitinazione potenzia la tossicità indotta dagli agenti metilanti. USP1 è una idrolasi in grado di rimuovere la monoubiquitina da PCNA e FANCD2, e per questo può essere un regolatore della risposta alla TMZ. Materiali e metodi. Sono state utilizzate le linee cellulari U87, U251 (TMZ-sensibili, bassi livelli di MGMT) e GBM8 (TMZ-resistenti, alti livelli di MGMT). Il protocollo di trattamento prevede 1, 2 o 3 dosi di TMZ 100μM per 3 ore. La progressione nel ciclo cellulare è stata studiata sia con FACS sia con una nuova tecnica di microscopia time-lapse in tempo reale (FUCCI, Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator), mentre l’apoptosi è stata verificata al citofluorimetro con il metodo dell’annessina V-Propidio Ioduro. Per verificare il possibile ruolo di USP1 nell’azione della TMZ, dopo aver esaminato su databases di mRNA microarray l’espressione di USP1 nei glioblastomi, le cellule sono state transfettate con RNA a interferenza contro USP1 o di controllo. È quindi stato studiato l’effetto della soppressione dei livelli di USP1 sull’arresto in G2/M, la morte cellulare e la clonogenicità indotte dalla TMZ. Risultati. Trattamenti multipli con TMZ riducono la clonogenicità delle cellule di glioma sensibili al farmaco in maniera significativamente superiore rispetto al trattamento singolo, non modificano l’entità dell’arresto in G2, mentre inducono un significativo aumento dell’apoptosi in particolare in fase tardiva. L’analisi in time-lapse con il sistema FUCCI ha mostrato che le cellule sensibili alla TMZ subiscono un arresto in G2 inferiore alle 48 ore. Inoltre, in presenza di attivazione del checkpoint in G2, replicano il DNA ma non si dividono, rientrando nel ciclo cellulare in G1 e dando origine a cellule poliploidi. La soppressione dei livelli di USP1 da sola ha effetti minimi sulla progressione del ciclo cellulare e sulla morte cellulare sia nelle cellule sensibili che in quelle resistenti alla TMZ. Allo stesso modo, la soppressione dei livelli di USP1 non altera l’entità dell’arresto in G2/M indotto dalla TMZ. Tuttavia il knockdown di USP1 sorprendentemente incrementa la perdita di clonogenicità indotta dalla TMZ sia nelle cellule sensibili che in quelle resistenti. A differenza delle cellule di controllo in cui USP1 è stato soppresso, o di quelle con normale espressione di USP1 e trattate con TMZ, le cellule USP1-knockdown trattate con TMZ subiscono un’alta percentuale di morte per apoptosi. Conclusioni. I risultati dei nostri studi hanno mostrato che il trattamento delle cellule di glioma con TMZ può indurre apoptosi, e che questa è evidenziabile già dopo 3 giorni, sebbene diventi significativa solo tardivamente. Trattamenti multipli non modificano l’entità dell’arresto in G2, ma aumentano significativamente l’apoptosi. Inoltre gli studi di time-lapse permettono di proporre un nuovo meccanismo di azione per la TMZ, diverso da quello finora comunemente accettato, con significative implicazioni sullo sviluppo della resistenza al farmaco. La deubiquitinasi USP1, piuttosto che impedire l’attivazione di PCNA e FANCD2 e inibire in questo modo la riparazione del danno al DNA indotto dagli agenti metilanti, come indirettamente suggerito da studi precedenti, sembra invece sopprimere vie apoptotiche latenti e proteggere le cellule dall’apoptosi indotta dalla TMZ. La soppressione di USP1 o delle vie controllate da USP1 può rappresentare un modo per incrementare il potenziale citotossico della TMZ e per sensibilizzare GBM prima resistenti

Negli ultimi venti anni la tecnologia ha giocato un ruolo fondamentale nello sviluppo della chirurgia immagine-guidata, in particolare in chirurgia vertebrale. Nonostante questo, le tecniche di navigazione spinale non sono ancora diffusamente utilizzate. Durante le procedure strumentate di chirurgia vertebrale, la tecnologia più comunemente impiegata consiste nell’imaging intra-operatorio 2-D realizzato con l’impiego dell’amplificatore di brillanza senza il supporto di un sistema di navigazione. Meno frequenti risultano invece l’utilizzo dell’imaging 3-D fluoroscopico, l’impiego di scansioni TC preoperatorie ed infine il ricorso a procedure assistite da un sistema di navigazione. Cenni storici La navigazione spinale nacque con l’intento di rendere più sicure e meno invasive le procedure di chirurgia vertebrale strumentata. Risale a 20 anni fa l’introduzione di sistemi di navigazione chirurgica basati sull’acquisizione di immagini TC preoperatorie: rappresentò il primo tentativo, nell’ambito delle procedure strumentate di chirurgia vertebrale, finalizzato all’ottimizzazione del posizionamento delle viti peduncolari e alla riduzione dell’esposizione del paziente e del personale di sala operatoria alle radiazioni ionizzanti. Questa metodica risultò tuttavia eccessivamente complicata e non ottenne consenso su larga scala da parte della classe medica. L’indagine anatomica basata su immagini intra-operatorie 2-D ottenute mediante l’utilizzo dell’amplificatore di brillanza rimane ancora oggi la tecnica più comune, nonostante ne siano riconosciuti i limiti nel fornire informazioni relative alla terza dimensione, essenziali per un corretto e preciso posizionamento delle viti peduncolari. La prima applicazione clinica conclusa con successo risale al 1995 e consisteva nel posizionamento di viti peduncolari nelle vertebre lombari (1). Negli anni successivi la metodica è stata applicata nel trattamento chirurgico di numerose patologie degenerative, malformative, traumatiche e neoplastiche di tutto il rachide, non solo di quello lombare.

Objective: The aim of our study is to analyze which factors are mostly involved in mortality rates and functional outcome in patients who suffered of aneurysmal SubArachnoid Hemorrhage (aSAH) between January 1, 2005, and December 31, 2014 admitted and treated at Mayo Clinic, in Rochester. Patients and methods: We conducted a multivariate analysis of consecutive and retrospectively collected patients suffering of aSAH in a study period from 2005 to 2014, taking into account specific factors as age, worse severity at presentation, ischemia, rebleeding and APACHE 3 (acute physiologic assessment and chronic health evaluation). Results: A total of 438 patients with a diagnosis of aSAH within 48 hours from admission were retrospectively collected. Patients demographics, aneurysms features and treatment modalities were identified. Rebleeding, worse clinical at presentation, APACHE 3, ischemia (or symptomatic vasospasm), were analyzed in a multivariate analysis for the mortality rate, whereas age, rebleeding, worse clinical at presentation, APACHE 3, ischemia were considered in a multivariate analysis for the clinical outcome at last follow-up. After controlling for comorbidities, we observed that worse clinical severity and ischemia were the major factors influencing the mortality rate (OR 5.25, CI 2.54-11.13 and OR 5.16, CI 2.35-11.46 respectively). Similarly these same factors influenced the functional outcome (worse clinical severity: OR 4.43, CI 2.30-8.61 and rebleeding: OR 3.50, CI 1.66-7.40). Less contribution was given from ischemia/ vasospasm (OR 2.01, IC 1.08-4.06). Conclusions: Management in patients with aSAH, and, as a consequence, mortality rates and functional outcome, have improved in our institution in the last decades. From our multivariate analyses we understood that rebleeding and worse clinical at presentation are the most important factors we can work on to improve good functional outcome and survival in our patients.

Il glioblastoma e il meningioma costituiscono i più frequenti tumori cerebrali rispettivamente maligni e benigni. Un ruolo chiave nella progressione di questi tumori è svolto da modificazioni nelle proprietà meccaniche delle cellule neoplastiche e della matrice extracellulare. In questo studio sono state investigate con la microscopia a forza atomica (AFM) le proprietà nanomeccaniche di campioni tissutali di glioblastoma, di meningioma e di tessuto cerebrale sano prelevati in sede di asportazione chirurgica delle lesioni. I risultati emersi hanno permesso di identificare l’impronta nanomeccanica di ciascuno dei due tumori e del parenchima cerebrale sano. Questa caratterizzazione pone le basi per lo sviluppo di nuove metodiche diagnostiche basate sull’AFM in grado di identificare glioblastomi e meningiomi e stabilirne il grading, con importante valenza prognostica sul piano clinico. In ambito neurochirurgico è di notevole rilevanza, per il glioblastoma, l’identificazione dei “margini” della lesione rispetto al parenchima cerebrale sano e, per il meningioma, l’individuazione delle lesioni dotate di un potenziale aggressivo e/o che abbiano infiltrato la dura madre. Sulla base dei risultati emersi, in futuro, l’uso di micro-AFM chirurgici intra-operatori potrebbe guidare il neurochirurgo nell’asportazione del principale e più aggressivo tumore cerebrale maligno, nonché orientarlo verso la radicalità della resezione in caso di meningiomi con caratteristiche aggressive, al fine di ridurre recidive e progressione neoplastica. Infine, lo studio fornisce una descrizione di natura quantitativa delle modificazioni meccaniche della matrice extracellulare cerebrale indotte dal tumore, di potenziale aiuto nella ricerca di nuovi bersagli tumorali per lo sviluppo di strategie terapeutiche per la cura soprattutto del glioblastoma.

Scopo dello studio - L'emorragia subaracnoidea da rottura di un aneurisma intracranico è una patologia devastante con un tasso di mortalità prossimo al 50%, cui si aggiunge un ulteriore 30% di disabilità. L'ischemia cerebrale in fase subacuta e gli infarti che ne possono conseguire sono la principale causa di deficit a lungo termine. Le alterazioni dell'emodinamica cerebrale dovute all'emorragia subaracnoidea sono il risultato dell'interazione di vari fattori tra cui l'impatto iniziale sull'encefalo, l'alterazione dell'autoregolazione e il vasospasmo cerebrale. In questo studio abbiamo valutato le alterazioni della perfusione cerebrale e il loro andamento nel tempo nelle prime due settimane dopo l'emorragia, utilizzando la Perfusion Computed Tomography Scan (PCT scan). Inoltre abbiamo cercato di identificare i parametri di perfusione associati con lo sviluppo di vasospasmo cerebrale e infarto. Metodo - I quaranta pazienti studiati sono stati sottoposti a PCT scans secondo prestabiliti intervalli di tempo dall'emorragia (0-3 giorni, 4-7 giorni, 8-11 giorni e tardivo). Sono state effettuate un numero complessivo di 92 Perfusion CT scans (2.3 per paziente) e sono stati analizzati i territori delle arterie ACA e MCA. Secondo l'andamento clinico i pazienti sono stati divisi 3 gruppi: 22 pazienti che non hanno sviluppato vasospasmo e 18 pazienti che hanno sviluppato vasospasmo, con infarto cerebrale in 8 di essi. La perfusione globale è stata studiata utilizzando la media ( DS) ottenuta dai valori di ciascun parametro (CBV, CBF and MTT) in ciascun gruppo e in ciascun intervallo di tempo. Abbiamo quindi analizzato i cambiamenti nel tempo di CBV, CBF and MTT in ciascun gruppo e abbiamo confrontato i valori di CBV, CBF e MTT di ciascun gruppo in ogni intervallo di tempo. Risultati- Nel corso delle prime due settimane dall'emorragia i pazienti senza vasospasmo hanno modesti cambiamenti dei parametri di perfusione e i valori nei pazienti con vasospasmo sintomatico sono stabili. Al contrario, nei pazienti con vasospasmo sintomatico e infarto cerebrale, CBV and CBF raggiungono il valore massimo nell'intervallo tra 4 e 7 giorni per poi diminuire nei giorni successivi mentre il valore di MTT si mantiene stabile nei primi due intervalli. Considerando che tutti i pazienti sono stati sottoposti ad una moderata ipervolemia subito dopo l'esclusione dell'aneurisma e che le alterazioni della perfusione indicate sono presenti solo nei pazienti con vasospasmo sintomatico e infarto cerebrale, esse possono essere interpretate come l'espressione dell'intervento emodinamico in pazienti che hanno un'alterazione dell'autoregolazione prima dell'insorgenza di vasospasmo. Questi pazienti hanno una riduzione del valore di CBV e una riduzione significativa del valore di CBF (p=0.016) nell'intervallo tra 8 e 11 giorni e nell'intervallo tardivo il valore di CBF si mantiene significativamente inferiore rispetto a quello nell'intervallo tra 4 e 7 giorni (p=0.044). Nell'intervallo tra 8 e 11 giorni, se confrontati con i pazienti senza vasospasmo, essi hanno un valore di CBF significativamente inferiore (p=0.035) inoltre il loro valore di MTT raggiunge il massimo tra 8 e 11 giorni ed è significativamente superiore (p=0.031) rispetto ai pazienti senza vasospasmo. Conclusioni - I nostri risultati supportano l'ipotesi che i pazienti con vasospasmo sintomatico e infarto cerebrale hanno un'alterazione dell'autoregolazione cerebrale presente già prima della comparsa del vasospasmo e che essi possono essere studiati con la Perfusion CT scan.
Background and Purpose - Subarachnoid hemorrhage due to the rupture of an intracranial aneurysm (aSAH) is a devastating disease with a mortality rate of nearly 50% and with an additional 30% of patients requiring long-term care. Delayed cerebral ischemia and subsequent cerebral infarction are the leading causes of poor outcome. The alterations of cerebral hemodynamic due to aSAH are caused by the interaction of many mechanisms including the early impact of bleeding on the brain, the impairment of cerebral autoregulation and the cerebral vasospasm. In this study we used the Perfusion Computed Tomography Scan (PCT scan) to evaluate the time course of the cerebral perfusion changes over the first two weeks after bleeding. We also attempted to identify the parameters of the perfusion that were associated with the development of cerebral vasospasm and infarction. Methods - Forty patients with aSAH underwent PCT scans according to regular intervals of time from SAH (0-3 days, 4-7 days, 8-11 days and later). A total number of 92 Perfusion CT studies (2.3 per patient) were carried out and ACA and MCA territory were studied. Out of 40 patients, 22 patients did not develop symptomatic vasospasm and 18 patients developed symptomatic vasospasm, with cerebral infarction in 8 of them. We analyzed the global cerebral perfusion using the mean value ( SD) obtained by the average of the values of each parameter (CBV, CBF and MTT) in each group of patients and in the established intervals of time. The changes of CBV, CBF and MTT over time for each group of patients were analysed and the values of the three groups in each interval of time were compared. Results - Patients without vasospasm have little changes, and patients with symptomatic vasospasm have no changes of the perfusion values throughout the study. On the contrary, in patients with symptomatic vasospasm and cerebral infarction, CBV and CBF reach the maximum value in the interval between 4 and 7 days and decrease in the following days and MTT is stable in the first two intervals of time. These values can represent the effect of the hemodynamic intervention in patients who have an impairment of cerebral autoregulation in a stage before the onset of vasospasm. The reason of this is that a preventive mild volume expansion was started immediately after the aneurysm treatment in all patients. These patients have a decrease of CBV value and a significant decrease of CBF value (p=0.016) between 8 and 11 days and in the later interval the CBF value is persistently significantly lower than in the interval between 4 and 7 days (p=0.044). Between 8 and 11 days, in the comparison with the group of patients without vasospasm, they have a significantly lower value of CBF (p=0.035). Moreover the MTT reaches the maximum value between 8 and 11 days and it is significantly higher (p=0.031) than in patients without vasospasm in the same interval of time. Conclusions - Our results suggest that patients who experienced ischemic deficits and cerebral infarction have an impairment of cerebral autoregulation before the onset of vasospasm and that they can be studied using the Perfusion CT scan.

Brain tumors, independently from histology, share a similar progressive growth pattern that often requires multiple treatment modalities. Surgery, radiotherapy, chemotherapy and medications are often administered in close proximity to one another or, sometimes, contemporaneously. For that reason, the assessment of the effectiveness of any single treatment is extremely difficult. Brain tumors are a rare cancer but they are among the most devastating forms of cancer and afflict the very core of the person. Optimizing the life style of patients should become essential and on a par with the life prolongation goal of anti-cancer therapy. A potential solution to this problem is a patient-centered approach to different tumor types and treatments in which the comprehensive patient assessment is included in the outcome set. Traditionally, clinical trials of treatments for gliomas have relied on measures such as the reduction in tumor size, or on time-dependent metrics including the progression-free survival and the overall survival. The procedure used to evaluate of treatment effects by means of these measures can be complemented by the assessment of clinical outcomes such as measurements of the functional or symptomatic effects of the condition on the person. Unfortunately, the most commonly reported outcome measures are not necessarily the most appropriate. They are often selected and motivated since they are widely cited in the literature; this is an incorrect approach on a scientific ground and also precludes new and more effective instruments to be introduced and accepted. The instruments currently used in neuro-oncology are influenced by notions anchored to the type of treatment (such as chemotherapy or radiotherapy) rather than to tumor and, particularly, to patient characteristics. The utility of patient-reported outcome data can be maximized with standardization of methods to assess, analyze, interpret and report results. Nevertheless, neuro-oncological guidelines do not mention instruments and parameters but rather generically prescribe “neurological monitoring”. A paradox is that, while new therapies and diagnostics are improving survival rates, much remains unknown about the patient clinical conditions and performance at an instrumental level. However, in the last years, a growing interest on cognitive response in clinical trials has been observed and the cognitive performance is now considered as an important patient-related outcome to assess response to treatments. Tracking symptoms and function can inform clinicians about whether a treatment results in measurable benefits or adverse effects to patients. 6 We should not forget that patients want to live longer, but they also want to continue to function as well as possible for as long as possible. This research. arose from the considerations set forth above. The aim of the thesis is to provide an overview of the clinical outcome assessment of patients with brain tumors. The thesis analyzes the role of the assessment in collecting information about the direct impact of neoplastic invasion of the cerebral parenchyma and in monitoring the effects of therapies. This thesis is composed of three different studies. The first study describes the characteristics of clinical trials on gliomas and the outcome profile (objective, endpoints, domains, categories and instruments), since the 1990 (the advent of evidence based medicine) to 2019. The second study describes the neuropsychological tests mainly used in the brain tumor clinical trials published over the last 30 years and tries to evaluate the methodological quality of studies on measurement properties by means of the COSMIN checklist. Finally, the third study focuses on the neuropsychological assessment of language in multilingual people. Due to the increasingly widespread integration, this has become a crucial issue in neuro-oncology, especially in the perioperative evaluation of patients undergoing surgical treatment for brain cancer. The aim is to verify to what extent the variables that affect linguistic processing in multilingual speakers have been considered during planning and decision making in awake surgery for brain tumors.

Obiettivo. Lo scopo di questa ricerca era dimostrare la fattibilità tecnica e l’utilità clinica dell’integrazione della trattografia basata sull’Imaging del Tensore di Diffusione (DTI) nei piani di trattamento con Gamma Knife (GK) per le malformazioni artero-venose, al fine di calcolare la dose che interessa il fascio corticospinale. Ci siamo proposti di raccogliere dati per valutare la tolleranza alle radiazioni del fascio corticospinale e per sviluppare modelli di rischio riguardanti i deficit motori conseguenti al trattamento. Materiale e Metodi. Lo studio di DTI è stato realizzato con una Risonanza Magnetica (RM) a 3 Tesla con tecnica di imaging parallelo in 34 pazienti affetti da malformazione artero-venosa cerebrale situata in prossimità del fascio corticospinale e sottoposti a radiochirurgia con Gamma Knife. Dopo l’elaborazione dei dati di RM, la via motoria bilaterale veniva ricostruita tridimensionalmente. Un software specifico per la registrazione multimodale è stato sviluppato. I tratti di fibre ricostruiti erano registrati sui dati di RM T1 volumetrici, entrambi ottenuti a 3 Tesla. Quindi le risultanti immagini venivano registrate con lo studio di RM ad 1 Tesla, eseguito in condizioni stereotassiche, per realizzare l’integrazione della trattografia nel piano di trattamento. In 14 pazienti la valutazione dell’esposizione radiante del fascio corticospinale è stata realizzata in maniera retrospettiva successivamente alla procedura radiochirurgica; nei rimanenti pazienti l’integrazione della trattografia è stata applicata in maniera prospettica durante la realizzazione del piano di cura. Risultati. Le fibre del fascio corticospinale sono state visualizzate sia nel caso di malformazioni artero-venose emorragiche che non emorragiche. Il numero di fibre ricostruite dal lato affetto era significativamente più basso nei pazienti con un deficit motorio preesistente al trattamento. Le complicazioni motorie post-radiochirurgiche erano significativamente correlate con il volume del fascio corticospinale ricevente una dose ≥ 12 Gy (P = 0,010). La dose integrale del fascio corticospinale era parimenti significativamente correlata allo sviluppo di deficit motori (P = 0,048). Sono stati elaborati modelli di dose-risposta per stimare la probabilità di sviluppare complicazioni motorie utilizzando l’analisi mediante regressione logistica. La sede della malformazione artero-venosa nei nuclei della base e la dislocazione del fascio corticospinale rispetto al suo decorso anatomico erano correlati con volumi più alti di fascio corticospinale esposti ad una dose ≥ 12 Gy. L’incidenza di complicazioni motorie è risultata più bassa nel gruppo prospettico rispetto al retrospettivo (5,0% contro 14,2%, rispettivamente). Conclusioni. L’integrazione della trattografia basata su DTI a 3 Tesla nei piani di trattamento con GK per malformazioni artero-venose localizzate in prossimità del fascio corticospinale è una procedura realizzabile ed attendibile e può essere compatibile con un impiego routinario. Il volume del fascio corticospinale che riceve una dose ≥ 12 Gy e la dose integrale del fascio corticospinale sono fattori predittivi per lo sviluppo di deficit motori. La visualizzazione del fascio corticospinale permette di ottimizzare la pianificazione del trattamento radiochirurgico, realizzando così trattamenti specifici per il paziente con una riduzione della morbidità.
Objective. The aim of this research was to demonstrate the technical feasibility and the clinical usefulness of Diffusion Tensor Imaging (DTI) tractography integration in the Gamma Knife (GK) treatment planning for arterio-venous malformations (AVMs) in order to calculate the dose delivery involving the corticospinal tract (CST). We purposed to collect data for the assessment of the CST radiation tolerance and for the development of risk models concerning treatment-related motor deficits. Material and Methods. DTI study was performed using a 3 Tesla Magnetic Resonance (MR) unit with parallel imaging technique in 34 patients harbouring cerebral AVMs in proximity of the CST undergoing GK radiosurgery. After the data processing, three-dimensional tracking of the bilateral motor pathway was carried out. An in-house software for multimodal registration was developed. The reconstructed fiber tracts were matched on T1 volumetric data set, both obtained at 3 Tesla. Then the resulting images were registered with the 1 Tesla MR study performed under stereotactic conditions for the integration in the treatment planning. In 14 patients the evaluation of CST radiation exposure was retrospectively performed after the radiosurgical procedure; in the remaining patients the integration of CST tractography was prospectively applied during the realization of the treatment planning. Results. The fibers of CST were highlighted in both non-hemorrhagic and hemorrhagic AVMs. The amount of reconstructed fibers on the affected side was significantly lower in patients with a preoperative motor deficit. Post-radiosurgical motor complications were strongly correlated to the volume of the CST receiving ≥ 12 Gy (P = 0.010). The integral dose of the CST was significantly related to the development of motor deficits as well (P = 0.048). Dose-response models were elaborated to estimate the probability of developing motor complications using logistic regression analyses. The location of the AVM in the basal ganglia and the displacement of the CST from its anatomical course were correlated with higher volumes of the CST receiving ≥ 12 Gy. The rate of motor complications resulted lower in the prospective group than in the retrospective (5.0% vs 14.2%, respectively). Conclusions. The integration of tractography based on 3 Tesla DTI in the GK treatment planning for AVMs in proximity of the CST is feasible and reliable and can be compatible within a routine clinical setting. The volume of the CST receiving ≥ 12 Gy and the integral dose of the CST are predictors of developing motor deficits. The visualization of the CST allows to optimize the radiosurgical planning, realizing patient-tailored treatments with a reduction of the morbidity.

Il dieci per cento circa dei pazienti con ictus ischemico sviluppa estese aree di infarto ischemico cerebrale con ipertensione endocranica ed ernie cerebrali che possono beneficiare della craniectomia decompressiva come trattamento salva vita. Una volta risolto l’edema cerebrale secondario all’area ischemica, si rende necessaria la ricostruzione cranica non solo a scopo protettivo e cosmetico, ma anche per ripristinare la normale circolazione liquorale ed il normale flusso ematico dell’area cerebrale craniectomizzata ed esposta alla pressione atmosferica. Tuttavia in letteratura vi sono pochi studi che hanno analizzato l'outcome clinico e le complicanze della cranioplastica dopo decompressione chirurgica nei pazienti affetti da infarto cerebrale maligno. Scopo della presente tesi è pertanto valutare l'outcome clinico e le complicanze in una serie di pazienti sottoposti a cranioplastica dopo infarto cerebrale maligno trattato con craniectomia decompressiva. Dal 2015 al 2020, 55 pazienti sono stati sottoposti a craniectomia decompressiva per ischemia cerebrale con ipertensione endocranica presso. Venti pazienti (36,3%) sono deceduti prima di essere sottoposti a ricostruzione cranica. I restanti 35 pazienti sono stati sottoposti a cranioplastica ed inclusi retrospettivamente nel presente studio. L’età media risultava essere di 68 anni con 25 maschi e 10 femmine. Tra questi, 10 erano stati trattati con trombectomia endovascolare (28,57%), 9 con trattamento combinato di trombectomia e fibrinolisi (25,71%) e 3 con fibrinolisi (8,57%). I restanti 13 pazienti (37,14%) non avevano ricevuto alcun trattamento per lo stroke ischemico. La cranioplastica   stata effettuata entro i 6 mesi dalla cranicectomia decompressiva in tutti i pazienti. Trenta pazienti (85,71%) sono stati sottoposti a ricostruzione cranica mediante osso autologo conservato e trattato presso banca dell’osso. I restanti 5 pazienti sono stati sottoposti cranioplastica con protesi custom-made prodotta su una TC pre-operatoria rispettivamente 4 con materiale sintetico in PMMA ed 1 con idrossiapatite. Le complicanze nei pazienti sottoposti a cranioplastica autologa sono state 8 (22,85%): un caso di riassorbimento dell’opercolo autologo che ha necessitato di revisione chirurgica, 4 casi di infezione dell’opercolo craniotomico autologo revisionati con altra protesi e 2 casi di mobilizzazione della protesi autologa per trauma con necessità di un nuovo intervento. Un solo paziente ha sviluppato idrocefalo dopo la cranioplastica (2,85%) con necessità  di posizionamento di una derivazione ventricolo-peritoneale. Nei restanti pazienti si   osservata una sola revisione di ferita chirurgica per infezione superficiale in paziente con protesi custom-made in PMMA. Il tasso d’infezione complessivo è risultato essere del 14,28 % mentre il tasso complessivo di complicanze è stato del 25,71 % (9 pazienti su 35). Al follow-up a 6 mesi il 45,71 % dei pazienti (16/35) ha presentato un buon outcome clinico definito come un punteggio della modified Rankin Scale (mRS) da 0 a 3. I restanti 19 pazienti (54,29%) hanno presentato gravi disabilità  (mRS 4 o 5). Nei pazienti sottoposti a cranioplastica dopo decompressione chirurgica per infarto cerebrale maligno, il tasso complessivo di complicanze (25,71%) è risultato elevato come nei pazienti sottoposti a ricostruzione cranica dopo craniectomia decompressiva per trauma cranico. Tuttavia la tipologia di complicanze risulta significativamente diversa: nella nostra serie la principale complicanza è risultata l’infezione (14,28%) mentre il riassorbimento dell’opercolo craniotomico autologo e l’idrocefalo (le due principali complicanze nei pazienti con trauma cranico che richiedono una cranioplastica) si sono verificati in maniera nettamente ridotta. L’outcome clinico rimane gravato da un elevato tasso di disabilità come nei pazienti decompressi per trauma cranico. ​
About 10% of patients with ischemic stroke develop a large area of malignant infarction with intracranial hypertension that may benefit from decompressive craniectomy as a life-saving treatment. Once the cerebral edema secondary to the ischemic area has been resolved, cranial reconstruction is necessary not only for protective and cosmetic purposes, but also to restore normal CSF circulation and normal blood flow in the craniectomized cerebral area exposed to the atmospheric. However, there are few studies in the literature that have analyzed the clinical outcome and complications of cranioplasty after surgical decompression in patients with malignant cerebral infarction. The aim of this study is to evaluate the clinical outcome and complications in a series of 34 patients undergoing cranioplasty after malignant cerebral infarction treated with decompressive craniectomy. From 2015 to 2020, 55 patients underwent decompressive craniectomy for cerebral malignant infarction at the department of Neurosurgery of Modena. 20 (36.3%) died before undergoing cranial reconstruction. The remaining 35 patients underwent cranioplasty and were included retrospectively in the present study. The average age was 68 years with 23 males and 12 females. Among these, 10 patients had been treated with endovascular thrombectomy (28.57%), 9 with combined treatment of thrombectomy and fibrinolysis (25.71%) and 3 with fibrinolysis (8.57%). The remaining 13 patients (37.14%) had not received any treatment for ischemic stroke. Cranioplasty was performed within 6 months after decompressive cranicectomy in all patients. Thirty patients (85.71%) underwent cranial reconstruction using autologous bone preserved and treated at a bone bank. The remaining three patients underwent cranioplasty with custom-made prostheses produced on a pre-operative CT scan, 2 with PMMA and 1 with hydroxyapatite, respectively. Complications in patients undergoing autologous cranioplasty were 8 (22.85%): one case of autologous bone resorption requiring surgical revision (2.85%), 4 cases of infection which required surgery with another prosthesis and 2 cases of mobilization of the autologous prosthesis due to trauma. Only one patient developed hydrocephalus after cranioplasty (2.85%) requiring placement of a ventriculo-peritoneal shunt. In the remaining patients, only one revision of a surgical wound for superficial infection was observed in a patient with custom-made prostheses in PMMA. The overall infection rate was 14.28% while the overall complication rate was 25.71% (9 out of 35 patients). At the 6-month follow-up, 45.71% of patients (16/35) had a good clinical outcome defined as a modified Rankin Scale (mRS) score of 0 to 3. The remaining 19 patients (54.29%) developed severe disabilities (mRS 4 or 5). In patients undergoing cranioplasty after decompressive craniectomy for malignant cerebral infarction, the overall complication rate (25.71%) was similar to TBI patients who underwent decompressive craniectomy and subsequent cranioplasty. However, the type of complications is significantly different: in our series, the main complication was infection (14.28%) while the resorption of the autologous bone and hydrocephalus (the two main complications in patients with TBI requiring a cranioplasty) occurred in a reduced manner. The clinical outcome remains burdened by a high rate of disability as in patients decompressed for TBI.

In questo studio, la stimolazione magnetica transcranica navigata (nTMS) è stata utilizzata per la prima volta per studiare attraverso mapping preoparatorio di pazienti affetti da tumori delle aree eloquenti per il linguaggio le aree corticali specifiche per la denominazione di oggetti-viventi e oggetti-non viventi. L’ipotesi di ricerca è che le aree frontali e motorie siano maggiormente coinvolte nella denominazione di oggetti-viventi, in quanto, la modalità di apprendimento e riconoscimento è prevalentemente motoria (teoria sensori-funzionale) (Warrington and Shallice, 1984) e che le aree posterolaterali della corteccia temporoparietale dell’emisfero sinistro siano maggiormente coinvolte nella denominazione di oggetti-non viventi, come già dimostrato precedentemente (Giussani et al., 2011), aspettandoci dunque una dissociazione tra aree corticali anteriori e motorie e quelle posteriori e temporali. Per testare questa ipotesi sono stati sottosposti a mapping preoperatorio delle aree corticali dell’emisfero sinistro 38 pazienti affetti da tumore cerebrale ricoverati presso la Clinica Neurochirurgica del Policlinico di Messina. Inoltre, i risultati del mapping sono stati utilizzati intraoperatoriamente per ottimizzare la resezione chirurgica e prevenire l’insorgenza di deficit linguistici post-operatori; per tale ragione è stato anche eseguito un assessment neuropsicologico pre e post-operatorio. In linea con i più recenti dati di letteratura scientifica, i risultati confermano l’ipotesi di ricerca e suggeriscono una segregazione funzionale delle aree corticali nell’elaborazione degli aspetti semantici relativi a diverse entità concrete. Nello specifico, rispetto alle categorie di oggetti-viventi e oggetti-non viventi, prese in considerazione in questo studio, le aree frontali e soprattutto motorie sembrerebbero essere maggiormente coinvolte nell’elaborazione di aspetti semantici degli oggetti-viventi, per contro, le aree temporali posteriori e parietali inferiori sembrerebbero essere maggiormente coinvolte nell’elaborazione di aspetti semantici degli oggetti-non viventi. Per la prima volta lo studio di aspetti semantici del linguaggio è stato condotto tramite nTMS ripetitiva coinvolgendo pazienti affetti da tumore cerebrale. Ciò suggerisce che la nTMS in ambito neurochirurgico oltre che per obiettivi clinici può essere utilizzata per obiettivi conoscitivi nell’ambito delle neuroscienze cognitive. I risultati di questo studio rappresentano un punto di partenza per lo studio delle funzioni linguistiche e cognitive in pazienti neurochirurgici tramite nTMS, molti altri studi saranno necessari in futuro.

Introduzione. La scala di valutazione del gradind delle MAV rotte (RAGS) è stata recentemente validata nella popolazione pediatrica. Il nostro studio è finalizzato a valutarne la sua efficacia in una coorte multicentrica di adulti comparandola con altre scale comunemente utilizzate. Materiali e metodi. Abbiamo effettuato un'analisi retrospettiva sui pazienti ricoverati per MAV rotte in 5 dipartimenti di neurochirurgia dal 2012 al 2019. Nei pazienti inclusi è stata effettuata un'analisi di regressione standard e dell'area sottesa alla curva AUROC delle seguenti scale: emorragia intracerebrale (ICH), ICH associata a MAV (AVICH), Spetzler-Martin (SM), SM Supplementare (Supp-SM), Hunt e Hess (HH), Glasgow Coma Scale (GCS), World Federation of Neurological Surgeons (WFNS) e RAGS al fine di valutare il valore predittivo nella variazioni cliniche stimate con la scala di Rankin modificata (mRS) categoriale e dicotomizzata in tre periodi di follow-up: entro i 6 mesi, da 6 mesi a 1 anno e oltre 1 anno.Risultati. Sono stati inclusi 61 pazienti con un'età media di 43,6 anni. Nella nostra analisi RAGS è risultata superiore alle altre scale prese in esame in tutti e tre i periodi follow-up. RAGS ha presentato un AUROC rispettivo nei tre periodi di follow-up di 0,78 (entro 6 mesi), 0,74 (tra 6 e 12 mesi) e 0,71(oltre 12 mesi) quando è stata applicata la mRS categoriale ed ha presentato un AUROC rispettivo di 0,79, 0,76 e 0,73 quando è stata applicata la mRS dicotomizzata. Conclusioni. RAGS costituisce una scala affidabile che predice i risultati clinici nelle MAV rotte negli adulti. Inoltre, RAGS ha dimostrato di mantenere il suo valore predittivo anche se applicata a dipartimenti di neurochirurgia con preferenze di trattamento diverse.

Lo scopo della tesi e' quello di studiare un applicazione clinica dedicata alla chirurgia dei tumori cerebrali basata sulle immagini di diffusione MR. L'obbiettivo della chirurgia dei tumori cerebrali e' quello di massimizzare la resezione dei tessuti patologici preservando le aree eloquenti corticali e sottocorticali. La risonanza magnetica e le tecniche avanzate elaborazione di immagini permettono al neurochirurgo di definire come la lesione cambia l'anatomia del paziente. In questa tesi descriviamo i principi ed i metodi basati sulla diffusione MR e definiamo un protocollo neuro radiologico necessario per la pianificazione della strategia chirurgica che minimizza il rischio nella resezione di un tumore maligno sito in area eloquente. Nonostante gli artefatti ed i limiti delle tecnologie coinvolte, il metodo proposto offre un supporto intra-operatorio in grado di rappresentare la relazione spaziale tra la lesione e le aree eloquenti circostanti. Basato sull'integrazione della DTI e gli strumenti di localizzazione intraoperatoria (neuronavigatore e monitoraggio neurofisiologico) il metodo proposto permette di correlare e verificare i risultati ottenuti in fase di pianificazione. Da Gennaio 2011 a Dicembre 2013 144 pazienti con tumore cerebrale in area eloquente sono stati studiati con DTI trattografia e pianificatore pre-operatorio. Di questi, 94 sono stati poi trattati chirurgicamente.
The purpose of the thesis is to investigate a clinical application of Diffusion Tensor Imaging in brain surgery. Brain Surgery aims to maximize lesion resection while preserving surrounding vital cortical and subcortical area. MRI techniques enables neurosurgeons to define how lesions change the individual anatomy in relation to brain function mapping. In this thesis we describe principles and methods of diffusion model and specific neuro radiological protocols for pre surgical planning (minimal risk strategy) of malignant brain tumors in eloquent area. Despite artifacts and limits, the developed framework based on DTI integrated with intra-operative localization supports neurosurgeon to analyze surgical strategies while preserving brain functions. We compare methods, procedures and different implementation of algorithms affecting the complex multi-modal processing of imaging protocol. Clinical information (deficit quantification), and intra-operative neurophysiological stimulations with morphological characteristics of fiber bundles corrupted by tumor is widely examined. From January 2011 to December 2013, 144 patients with lesions in eloquent areas were submitted to pre-operative DTI tractography and 94 of 144 were treated surgically.

Object: Surgery of convexity meningiomas is usually considered a low-risk procedure. Nevertheless, the risk of postoperative motor deficits is higher (7.1 – 24.7% of all cases) for lesions located in the rolandic region, especially when an arachnoidal cleavage plane with the motor pathway is not identifiable. We analyzed the possible role of navigated transcranial magnetic stimulation (nTMS) in the definition of surgical strategy for resection of rolandic meningiomas, and in predicting the postoperative motor outcome and the presence/lack of an intraoperative arachnoidal cleavage plane. Methods: We retrospectively collected clinical data from patients affected by convexity, parasagittal or falx meningiomas involving the rolandic region, who were submitted to preoperative nTMS mapping of the motor cortex (M1) and nTMS-based DTI fiber tracking of the corticospinal tract before surgery at two different neurosurgical centers. Surgeons’ self-reported evaluations of the impact of the nTMS-based mapping on surgical strategy were analyzed. Moreover, the nTMS mapping accuracy was evaluated in comparison with intraoperative neurophysiological mapping (IONM) findings. Lastly, we assessed the role of nTMS as well as other pre- and intraoperative parameters for predicting the patients’ motor outcome and the presence/lack of an intraoperative arachnoidal cleavage plane. Results: Forty-seven patients were enrolled. The nTMS-based planning was considered useful in 89.3% of cases, and a change of the surgical strategy was observed in 42.5% of cases. The accuracy of the nTMS-based planning as compared to IONM (35 patients) was 94.2%. A new permanent motor deficit occurred in 8.5% of cases (4 out of 47). A higher nTMS-measured resting motor threshold (RMT) as well as the lack of an intraoperative arachnoidal cleavage plane were the only independent predictors of a poor motor outcome (p=0.04 and p=0.02, respectively). Moreover, a higher RMT was also able to predict the lack of an arachnoidal cleavage plane (p=0.008). No significant predicting role was observed for the preoperative motor status, perilesional edema, T2 cleft sign and contrast-enhancement pattern of the meningioma. Conclusion: The nTMS-based motor mapping could be a useful tool for surgery of rolandic meningiomas, especially when a clear cleavage plane with M1 is not present. Moreover, the RMT seems to be a predictor of the presence/lack of an intraoperative cleavage plane and of the motor outcome, thereby helping the stratification of patients at high risk before surgery.

Background. Brain surgery in motor areas requires a balance between radical surgical resection and risk of postoperative motor deficits. Intraoperative neurophysiological monitoring, especially with motor evoked potentials (MEPs), provides a valuable help in such conditions; however, the correlation between MEP amplitude changes and clinical outcome is not always clear. A stronger neurophysiological predictor of outcome is therefore desirable. Objectives. The aims of this Thesis are: a. to analyze the limits of MEP monitoring during brain surgery in motor areas with a special attention to the confounding factors that may alter the interpretation of MEP changes during surgery; b. to verify and confirm the role of a strong neurophysiological predictor of outcome - the D-wave monitoring - during surgery for intramedullary spinal cord tumor; c. to apply the D-wave monitoring during brain surgery in motor areas. The Thesis is divided in three sections according to the aforementioned objectives. Materials and Methods. In the first section, a consecutive cohort of 157 patients submitted to surgical removal of a tumour adjacent to the motor areas and CST with simultaneous subcortical motor mapping and DCS MEP monitoring were analysed. Motor function was assessed the day after surgery, at discharge, and at further follow-up postoperatively. A post-hoc analysis was conducted in order to analyse possible pre- and postoperative confounding factors during MEP changes interpretation. In the second section, a consecutive cohort of 219 patients submitted to surgery for intramedullary spinal cord tumors (ISCTs) with simultaneous muscle MEP and D-wave monitoring were analysed. Motor function was assessed the day after surgery, at discharge, and at further follow-up postoperatively. A post-hoc analysis was performed in order to verify the reliability of D-wave monitoring as a strong outcome predictor. In the third section, we report the experience of 3 consecutive cases operated on for brain tumors in motor areas with the aid of D-wave monitoring. Results. Section I: the location of the tumour in the prefrontal cortex and along the CST are related with a higher rate of postoperative motor deficits (p=0.04 and p=0.008, respectively); for tumours located in the prefrontal cortex, 53% of patients showed new motor deficit with changes of MEP in 16% of them. Different muscles showed different capability to predict new motor deficits; furthermore, the higher is the number of muscles with MEP amplitude below the threshold, the higher is the probability of a new stable motor deficit. Section II: D-wave monitoring is a valuable help during surgery for ISCTs and show a sensitivity of 33.3%, a specificity of 99.2%; positive predictive value is 50% and negative predictive value is 98.4%. The accuracy calculated is 97.6%. Section III: we were able to record TES D-wave in patients 2 and 3; in patient 1 we obtained the D-wave only with TES of the hemisphere contralateral to the tumour. It was not possible to obtain a clear D-wave from DCS in all three patients. In patients 2 and 3 it was possible to obtain the D-wave through subcortical bipolar stimulation along CST. Conclusions. Intraoperative neurophysiology is a valuable help during surgery in motor areas. MEP monitoring provide useful and reliable information during surgery, but it is not always easy to analyse the relationship between intraoperative changes and clinical outcome. D-wave monitoring is a well-known technique and our results confirmed its role of strong outcome predictor. The application of this technique for brain surgery can help to overcome the limits of MEP monitoring alone.