Littérature scientifique sur le sujet « Ingegneria metabolica »

Oslo, capitale della Norvegia, sta sperimentando un’improvvisa crescita della popolazione e secondo le stime fornite da Statistics Norway si prevede un aumento di 200 000 abitanti entro il 2040. La crescita della popolazione comporterà un rilevante aumento di domanda di acqua e, insieme ad altri fattori quali l’età delle infrastrutture e i cambiamenti climatici, sarà responsabile di una notevole pressione sulle infrastrutture idriche presenti. In risposta alla necessità di tempestivi cambiamenti, il gestore del servizio idrico della città (Oslo VAV) ha deciso di finanziare progetti per migliorare la robustezza delle infrastrutture idriche. Il lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto E3WDM, istituito nel 2005 con lo scopo di definire una gestione più efficiente della risorsa idrica di Oslo. L’obiettivo generale della tesi è la creazione di un modello metabolico attraverso il software UWOT (Makropoulos et al., 2008) con lo scopo di rappresentare i consumi idrici di due tipiche tipologie abitative nella città di Oslo. L’innovazione di questo studio consiste nella definizione e nella modellazione della domanda idrica all’interno delle abitazioni ad un livello di dettaglio molto elevato. Il nuovo approccio fornito da UWOT consente la simulazione di differenti strategie di intervento e la successiva gestione ottimale della risorsa idrica in grado di minimizzare i consumi di acqua, di energia e i costi, compatibilmente con la domanda idrica richiesta. Il lavoro di tesi comprende: -La descrizione del software UWOT, in particolare lo scopo del modello, l’innovativo approccio adottato, la struttura e il procedimento per creare un modello del sistema idrico urbano. -La definizione dei dati richiesti per la simulazione dei consumi idrici all’interno delle abitazioni nella città di Oslo e i metodi utilizzati per raccoglierli -L’applicazione del modello UWOT per la definizione dei trend di consumi idrici e la successiva analisi dei risultati

In questo elaborato è presentato un esoscheletro per caviglia che sfrutta una attuazione elettro-idrostatica al fine di ridurre il consumo metabolico in camminata. Indossare un esoscheletro autonomo comporta l’aggiunta di peso e la modifica del meccanismo di camminata, il primo impatta negativamente sul consumo metabolico tanto più è posizionato lontano dal centro del corpo, mentre il secondo ha la possibilità di ridurlo se la strategia di assistenza è profittevole. Durante la camminata la caviglia sviluppa più potenza positiva di ogni altra articolazione, questo si traduce in lavoro muscolare energeticamente costoso. Il principio dello studio proposto si basa sulla remotizzazione dell’attuazione elettrica, combinata con una trasmissione idrostatica ad alta potenza specifica per fornire una coppia di assistenza alla caviglia. L’idea è di delocalizzare il peso maggiore dell’esoscheletro nel dorso del paziente (attuatore elettrico e batteria) e sfruttare la trasmissione idrostatica per assistere e ridurre l’inerzia alla caviglia. La trasmissione idrostatica è basata su cilindri con membrane a rotolamento, che sigillano completamente il volume di fluido e annullano i fenomeni di leackage e stick-slip, presenti negli attuatori idraulici tradizionali. In questo lavoro si è esaminato lo stato dell’arte per individuare l’entità e la strategia di assistenza idonee per assistere la caviglia con una attuazione elettro-idrostatica. In funzione di ciò, si è scelto l’attuatore elettrico e si è progettata e dimensionata la trasmissione idrostatica per l’applicazione, in fine è stato progettato l’esoscheletro nelle componenti di accoppiamento tra attuatore e trasmissione e di interfaccia alla caviglia. I risultati di questo studio preliminare si mostrano incoraggianti e legati allo sviluppo di un primo prototipo al fine di verificarne le reali prestazioni.

The aim of the thesis is developing an in vitro model that resembles the cyclic dynamic fluctuations that can be correlated to the pertinent biological networks for dissecting the effects the metabolism on circadian clock. The circadian rhythms are an adaptation to the evolutionarily conserved environment, because they allow to coordinate temporally external environmental cycles (eg. light/ dark) with internal biological and physiological processes (eg. sleep/ wake). Forced misalignment of behavioral and circadian cycles in human subjects, have been associated with increased prevalence of obesity, diabetes and cardiovascular disease, in addition to certain cancers and inflammatory disorders. The potential of the microfluidic approach allows dynamic study on circadian behavior of peripheral tissues, opening a new perspective in circadian field.
Lo scopo della tesi è di sviluppare un modello in vitro in grado di mimare fluttuazioni dinamiche e cicliche che possono essere correlate a reti biologiche pertinenti per sezionare gli effetti che il metabolismo ha sull'orologio circadiani. I ritmi circadiani sono un adattamento all'ambiente evolutivamente conservato, in quanto consentono di coordinare cicli ambientali temporalmente esterni (ad es. luce / buio) con i processi biologici e fisiologici interni (ad es. il sonno / veglia). Il disallineamento forzato dei cicli circadiani comportamentali e in soggetti umani, sono stati associati a una maggiore prevalenza di obesità, diabete e malattie cardiovascolari, oltre ad alcuni tipi di cancro e patologie infiammatorie. Le potenzialità dell' approccio microfluidico consente lo studio dinamico sul comportamento circadiano dei tessuti periferici aprendo di una nuova prospettiva nel campo circadiano

La dialisi extracorporea, o emodialisi, è il metodo per ripulire il sangue meccanicamente mediante circolazione extracorporea, in modo da rimuovere sostanze che normalmente sarebbero eliminate dai reni e viene praticata quando la funzionalità renale di un individuo è in parte o totalmente compromessa. Durante una singola seduta di terapia dialitica il paziente può essere esposto a una quantità d'acqua che varia tra i 100 e i 120 litri. L’attività di tesi si inserisce nel contesto della cosiddetta “emodialisi sostenibile”, che ha tra gli obiettivi principali la riduzione del consumo idrico. Un metodo efficace in tal senso potrebbe essere rappresentato da sistemi di rigenerazione online dell’effluente che permetterebbero il ricircolo del liquido di dialisi. Alla base dello sviluppo di un sistema di questo tipo vi è l’analisi e la caratterizzazione del liquido di dialisi in termini di elettroliti e di tutte le altre specie in esso presenti (tossine uremiche, proteine ecc.). Obiettivo di questa tesi è l’analisi sperimentale della composizione del liquido di dialisi pre e post filtro tramite una tecnica avanzata di indagine quale la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). La spettroscopia NMR è un metodo basato sulle proprietà magnetiche dei nuclei di alcuni atomi/isotopi, il cui scopo è quello di ricavare informazioni sulla frequenza di risonanza dei nuclei attivi (come H e 13C) in risposta a un determinato campo magnetico. Esaminando gli spettri NMR dei dialisati è stato possibile caratterizzare qualitativamente le piccole molecole (zuccheri, amminoacidi, osmoliti, acidi organici ecc.) presenti nei diversi campioni. Inoltre dall’osservazione dei dati si possono apprezzare importanti differenze tra pazienti dializzati affetti da patologia diabetica rispetto a pazienti dializzati non diabetici. La spettroscopia NMR è risultata essere un metodo efficace per lo studio dei campioni di fluido, in quanto richiede una preparazione strumentale semplice e veloce.

Questa tesi, svolta in collaborazione con il team guidato dalla Dott.ssa Ceroni all’Imperial College (Londra), si è proposta di sviluppare un sistema di segmentazione per immagini di microscopia basato su U-Net. Questo software è stato testato su due dataset distinti, uno composto di immagini rappresentanti cellule batteriche, e l’altro cellule umane ingegnerizzate. Nel primo caso, un set-up microfluidico chiamato “Mother Machine” ha permesso lo studio di come diverse caratteristiche cellulari (es. forma, livello di fluorescenza) cambino tra una generazione e l’altra. Nel secondo, due diverse configurazioni di training sono state valutate per determinare quella maggiormente indicata per le immagini e l’applicazione considerata. Nel testo seguente sono descritti tutti i procedimenti adottati per permettere l’addestramento della rete neurale su entrambi i dataset, e l’analisi dei risultati. Viene anche affrontato il tema del Machine Learning, e vengono introdotte alcune nozioni di biologia molecolare e di microscopia ottica. Infine, vengono proposte alcune considerazioni conclusive. Questo lavoro, benché parte di un progetto più ampio, ne rappresenta una componente importante, fornendo un sistema altamente tecnologico per l’analisi di immagini di microscopia e lo studio della funzionalità di cellule ingegnerizzate.

Circadian clocks are intrinsic, time-tracking systems that enable organisms to maintain their physiological state and their synchrony with the 24-hour rotation of the Earth, by partitioning behavioural and metabolic processes according to time of day within each tissue. They are entrained to the external environment by light/dark cycles and by food timing, which act as clock synchronizers. Emerging evidence suggests that circadian regulation is intimately linked to metabolic homeostasis and that dysregulation of circadian rhythms can contribute to disease. Conversely, metabolic signals also feed back into the circadian system, modulating circadian gene expression and behaviour. Conventional experimental approach of circadian clock in vitro studies is based on single-pulse stimulation of only one metabolite or hormone, while in vivo peripheral tissues are exposed to periodic oscillating stimuli of a large number of metabolites and hormones, whose variations are in most cases interconnected, as for example glucose and insulin. Moreover, only one or few clock genes are generally considered, while it is known that a large number of genes, thus biological processes, are under circadian regulation. Therefore, this Ph.D. research work is aimed at the development of technologies and data analysis tools to investigate the entrainment of peripheral mammalian circadian clock to frequency-encoded metabolic stimuli, which well mimic physiological oscillations at which peripheral tissues are exposed in vivo. Technologies, and, more specifically, microtechnologies have been developed to investigate the effects of periodic metabolic entrainment, showing that in murine fibroblasts oscillatory periodic metabolic stimulations entrain the expression of Per2, one of the core genes of the circadian molecular mechanism. Moreover, it has been proven that only by metabolic oscillations it is possible to completely reset the phase of cell-autonomous clocks. In order to develop a physiological and pathological in vitro model, achieving a high spatio-temporal control of cell culture microenvironment, frequency-encoded perturbations have been automated in a newly designed microfluidic platform for circadian applications. Finally, to broaden the description of genes expressed with a circadian temporal pattern, a new data analysis method has been proposed and characterized, that allows to identify circadian genes in whole transcriptome data, to group genes based on the phase of their expression, to visualize transcriptome data at a glance and clearly identifying modifications at the transcriptome level from one biological condition to another one.
I ritmi circadiani sono meccanismi biologici di organizzazione temporale intrinseci e autosostenuti, che consentono agli organismi di anticipare i cambiamenti ambientali e permettono loro di adattare il loro comportamento e la loro fisiologia nell’arco della giornata. L’orologio circadiano è sincronizzato dai cicli luce/buio e dall’ora dei pasti. La funzione biologica essenziale del ritmo circadiano è mantenere lo stato fisiologico dell’organismo e la sua sincronia comportamentale e metabolica con l’ambiente esterno. Recentemente è stato dimostrato che l’orologio circadiano garantisce il mantenimento dell’omeostasi metabolica, e che una distruzione del ritmo circadiano è causa di numerose malattie. L’approccio sperimentale convenzionale per lo studio dell’orologio circadiano in vitro è basato su una singola stimolazione di un solo metabolita o ormone, mentre in vivo i tessuti sono esposti in continuo a stimoli oscillatori periodici di una grande vastità di metaboliti e ormoni, le cui variazioni sono spesso interconnesse, come nel caso di glucosio e insulina. Inoltre, nell’analisi sperimentale convenzionale, sono studiati solo uno o pochi geni noti per essere implicati nell’orologio circadiano, mentre è noto che un elevato numero di geni sono espressi in modo circadiano. Lo scopo di questo progetto di ricerca è quindi sviluppare tecnologie e metodi di analisi per studiare l’effetto di stimoli metabolici in frequenza sull’orologio circadiano di tessuti periferici. Questi stimoli riproducono infatti in vitro le oscillazioni metaboliche a cui i tessuti sono esposti in vivo. Tecnologie, e più nello specifico, microtecnologie sono state sviluppate per studiare gli effetti di stimoli metabolici oscillatori, ed è stato dimostrato che in fibroblasti murini l’espressione di Per2 (uno dei geni principali del meccanismo molecolare dell’orologio circadiano) è sincronizzata da stimoli metabolici oscillatori. Inoltre, è stato dimostrato che le oscillazioni metaboliche sono di per sé sufficienti per allineare l’orologio circadiano nei tessuti periferici. Per sviluppare un modello che riproducesse in vitro condizioni sia fisiologiche che patologiche, raggiungendo un controllo spazio-temporale preciso del microambiente cellulare, le stimolazioni in frequenza sono state automatizzate in un dispositivo microfluidico progettato in modo dedicato per studi del ritmo circadiano. Infine, per estendere lo studio ai geni espressi con un pattern temporale circadiano, un nuovo metodo di analisi è stato proposto e caratterizzato. Il metodo permette di identificare geni circadiani da dati di trascrittomica, di suddividere i geni basandosi sulla fase della loro espressione, di visualizzare dati di trascrittomica nel loro complesso e di individuare rapidamente e in modo semplice modifiche a livello trascrizionale da una condizione biologica ad un’altra.