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Temi di ricerca
Il seguente e' un elenco, non limitativo, dei temi di ricerca attualmente in corso presso i Dipartimenti che ospitano le attivita' del Dottorato. Nuovi temi potrebbero aprirsi in seguito agli sviluppi di quelli attuali.
01. Bioingegneria elettronica: cardiotocografia e
monitoraggio fetale
La cardiotocografia (CTG) è oggi il più utilizzato metodo di monitoraggio del
benessere fetale nella pratica clinica. Essa prevede la registrazione simultanea
della FCF (attraverso ultrasuoni) e delle contrazioni uterine (attraverso un
sensore di pressione esterno). Sebbene l'esame sia di facile esecuzione, è
complessa l'analisi delle variazioni della FCF, che richiede un approccio
multiparametrico. Gli ostetrici sono in grado di predire il benessere del feto
alla nascita quando la FCF durante la gravidanza mostra una reattività del feto.
Tuttavia, quando i tracciati sono negativi (feto non reattivo), il bambino alla
nascita sta bene nel 50% dei casi e accade che possa essere stato deciso un
intervento non necessario. Nel periodo prenatale questo problema è spesso
complicato dall’età gestazionale del feto.
02. Bioingegneria elettronica: analisi dei movimenti
oculari per la valutazione di sistemi in e-learning
L’attività di ricerca si propone di sviluppare una metodologia di valutazione
dei sistemi di e-learning basata sull’analisi dei movimenti oculari di
esplorazione dell’interfaccia uomo-macchina. Il progetto si articola in varie
fasi quali: la definizione degli scenari di e-learning da valutare, la
definizione dei protocolli sperimentali, lo sviluppo del SW di acquisizione ed
analisi dei movimenti oculari di scansione, la raccolta di dati da una ampia
popolazione di soggetti, l’analisi di tali dati e la loro interpretazione, la
definizione di linee guida per lo sviluppo di sistemi di e-learning ottimizzati.
Il progetto è svolto in collaborazione con i numerosi partner europei
03. Bioingegneria elettronica: modelli naturali e
artificiali del controllo sensori-motorio
Lo studio è rivolto prevalentemente al coordinamento occhi-testa al fine di
comprendere le differenti strategie che il sistema nervoso centrale utilizza per
stabilizzare la visione o per esplorare l'ambiente circostante in differenti
condizioni ambientali. Infatti, il sistema oculomotore ha da sempre svolto un
ruolo di primo piano nello studio del controllo sensori-motorio, per la relativa
semplicità sia della sua organizzazione neurale, sia dell’impianto da
controllare. Tale sistema pertanto costituisce un ideale banco di prova per lo
studio del coordinamento motorio, della pianificazione e dell’adattamento del
movimento. Riguardo al coordinamento, l’interazione/integrazione coi movimenti
del capo ne rappresenta, per il sistema oculomotorio, la prima e la più naturale
forma, essendo il capo la piattaforma mobile di supporto dell’apparato
oculomotore. Inoltre, come tutte le altre funzioni senso-motorie, anche il
controllo dei movimenti del capo e degli occhi manifesta spiccate proprietà
plastiche e capacità di adattamento e/o di apprendimento. In tutti questi
meccanismi svolgono un ruolo di primo piano diversi canali sensoriali, in
particolare quello visivo e quello vestibolare.
I temi di ricerca riguardano quindi sia le caratteristiche specifiche dei due
sistemi sensori-motori e dei loro componenti, sia le modalità e le strategie
della loro interazione, sia le manifestazioni della loro plasticità. Essi
vengono affrontati sul piano sperimentale, su quello della modellazione
matematica e su quello della simulazione mediante modelli fisici biomimetici.
04. Bioingegneria elettronica: realizzazione di tessuto
osseo
La ricerca si occuperà dello sviluppo di competenze nell’ambito della
realizzazione di tessuti biologici di supporto (ossa), con particolare
attenzione sia alla caratterizzazione sperimentale sia alla modellazione
analitica e numerica. Con i metodi dell’Ingegneria dei Tessuti, partendo dalle
cellule stromali del midollo osseo di un paziente, si mira a costruire in
laboratorio un tessuto osseo funzionale e vascolarizzato il quale sarà
impiantato successivamente nel paziente stesso. L’uso delle cellule stromali
assicura la completa compatibilità immunologica del tessuto ottenuto. Le
cellule, durante la coltura, vengono sottoposte a differenti stimoli meccanici,
sia statici che dinamici, al fine di indurle a proliferare e a differenziarsi,
esprimendo il desiderato fenotipo. Il percorso verso il desiderato fenotipo
(produzione di matrice extracellulare, morfologia e distribuzione spaziale delle
cellule) è monitorato in funzione degli stimoli meccanici applicati. Per
garantire la funzionalità meccanica del tessuto verranno utilizzati supporti di
crescita per le cellule (scaffolds) di leghe particolari (tantalio e titanio).
05. Bioingegneria informatica: analisi intelligente di
dati in nefrologia
Una vasta classe di problemi di monitoraggio clinico comporta l'analisi e
l'interpretazione di un grande numero di dati, raccolti in modo longitudinale su
orizzonti temporali variabili. In questo ambito, possiamo distinguere due
tipologie di problemi: il monitoraggio a lungo termine, legato alle patologie
croniche, ed il monitoraggio a breve termine, usualmente legato alle patologie
acute. Nel monitoraggio clinico le metodologie dette di Analisi "intelligente"
dei dati (o Intelligent Data Analysis, IDA), che combinano le tecniche
provenienti dall'Intelligenza Artificiale con gli usuali approcci basati sulla
statistica classica giocano un ruolo sempre più rilevante. In particolare queste
tecniche sembrano particolarmente utili in alcuni domini clinici che presentano
sia aspetti di monitoraggio a breve termine che a lungo termine. Uno di questi
e' rappresentato dal trattamento emodialitico nell'uremia cronica.
06. Bioingegneria informatica: modelli di crescita
tumorale in vitro e in vivo e studi di farmacocinetica per lo sviluppo di nuovi
farmaci
In collaborazione con Nerviano Medical Science, in questo ambito viene
affrontato il problema della valutazione dell'efficacia di un farmaco
antitumorale durante i vari stadi del processo di sviluppo del farmaco. In
particolare sono attualmente allo studio tecniche innovative per l'analisi di
dati provenienti sia da esperimenti in vitro sia da esperimenti in vivo su
modelli animali. Questa ricerca include anche lo studio dell'effetto del
composto a livello di espressione genica tramite l'uso sia di mircoarray di
espressione sia di PCR.
07. Bioingegneria informatica: sistemi di gestione delle
conoscenze mediche
La ricerca si propone di promuovere l’utilizzo delle nuove metodologie e delle
tecnologie di gestione delle conoscenze in Sanità. Lo scopo principale è quello
di aumentare l’efficienza e l’efficacia dei processi di lavoro nelle
Organizzazioni Sanitarie facilitando la cooperazione e la comunicazione fra gli
operatori, permettendo un più rapido utilizzo della conoscenza medica prodotto
dalla ricerca. Un settore di attività riguarderà l’utilizzo di tecnologie di
“workflow management” per la gestione dei processi di cura, così come sta
avvenendo in molte realtà industriali e commerciali. Per un loro utilizzo in
Sanità occorre prevedere meccanismi di valutazione delle performance che, oltre
a indicatori economici, utilizzino indicatori di efficacia clinica per stimare
il miglioramento della salute della popolazione e del singolo paziente, misurato
in termini di vita attesa e/o di qualità di vita. Per questa ragione, la ricerca
si propone di realizzare Workflow Management System basati su un modello del
processo derivato da linee guida sviluppate e convalidate da meta-analisi e
studi milti-centrici.
08. Bioingegneria informatica: teleassistenza di pazienti
con Diabete Mellito
Il progetto, M2DM, è stato finanziato dall’Ue nell’ambito del V Framework e
riguarda l’implementazione e la sperimentazione di un sistema intelligente di
telemedicina in grado di assistere pazienti affetti da diabete
insulino-dipendente. Rappresenta inoltre un caso di studio nell’ambito del
progetto FIRB Il servizio utilizza un’architettura multi-accesso per consentire
lo scambio di dati e di informazione fra i diversi attori coinvolti nella
gestione della patologia. In particolare, l’accesso alla base di dati può essere
effettuato sia tramite un Web server, sia tramite un server di
Computer-Telephony interaction, sia mediante un servizio dedicato per
l’acquisizione di dati inviati via modem dalla casa del paziente. Inoltre, il
servizio permette agli utenti di comunicare via e-mail e via SMS ed infine,
l’interazione via Web è stata differenziata a seconda della tipologia di
browser, permettendo di ottimizzare la visualizzazione delle pagine anche su
Web-TV. Il cuore di questo servizio è rappresentato da uno strato software che
tiene traccia di tutte le interazioni degli utenti con il sistema e permette di
lanciare delle attività automaticamente: il multi-access server organizer.
09. Bioingegneria informatica: sistemi di dialogo
intelligente in medicina
Nel monitoraggio domiciliare degli effetti della terapia occorre acquisire
informazioni frequenti sullo stato di salute dei pazienti ai fini di adattare,
se necessario, le modalità di trattamento. Questo allo scopo di evitare il più
possibile sia effetti collaterali indesiderati sia trattamenti non efficaci.
L’acquisizione delle informazioni può essere realizzata utilizzando le moderne
tecnologie di comunicazione. Accanto al sempre più diffuso uso di Internet, è
necessario progettare e realizzare sistemi che utilizzino sistemi di
comunicazione telefonica, sia fissa che mobile. In molti casi la quantità di
informazioni che periodicamente deve essere raccolte è tale da poter essere
inviata tramite una breve telefonata. Perché tale informazione possa essere
memorizzata nella cartella clinica del paziente, si possono usare sistemi di
computer telephony molto diffusi che richiedono di utilizzare la tastiera
numerica del telefono per rispondere ad una serie di domande che si susseguono
secondo una sequenza prefissata.’implementazione e la sperimentazione di un
sistema intelligente di telemedicina in grado di assistere pazienti affetti da
diabete insulino-dipendente. Rappresenta inoltre un caso di studio nell’ambito
del progetto FIRB Il servizio utilizza un’architettura multi-accesso per
consentire lo scambio di dati e di informazione fra i diversi attori coinvolti
nella gestione della patologia. In particolare, l’accesso alla base di dati può
essere effettuato sia tramite un Web server, sia tramite un server di
Computer-Telephony interaction, sia mediante un servizio dedicato per
l’acquisizione di dati inviati via modem dalla casa del paziente. Inoltre, il
servizio permette agli utenti di comunicare via e-mail e via SMS ed infine,
l’interazione via Web è stata differenziata a seconda della tipologia
10. Bioinformatica: analisi di dati di DNA Microarrays in
genomica funzionale: aggregazione e classificazione di serie temporali, scelta
del tempo di campionamento ed estrazione di modelli fenomenologici
I DNA microarrays sono utilizzati per determinare i livelli di espressione di
migliaia di geni. Misurando le espressioni geniche in diversi istanti temporali
otteniamo una serie temporale di espressioni geniche (una serie temporale per
ogni gene), detta anche profilo di espressione genica. I profili di espressione
genica sono stati utilizzati per raggruppare (cluster analysis) geni ''simili'',
sotto l'ipotesi che geni con profili temporali simili (e quindi appartenenti ad
uno stesso cluster) concorrano ad una medesima funzione Nell’ambito della
genomica funzionale il problema di confrontare e raggruppare serie temporali
assume delle peculiarità legate al numero molto ridotto di campioni raccolti nel
tempo (solitamente inferiore a 20) ed alla presenza di un numero molto elevato
di serie temporali (dell'ordine delle centinaia/migliaia). L’applicazione dei
metodi classici di clustering a serie temporali “corte” richiede notevole
attenzione. Ad esempio infatti, i metodi basati su trasformate non possono
essere utilizzati così come i metodi che utilizzano modelli complessi che non
possono essere stimati con precisione.
11. Bioinformatica: studi di popolazioni isolate e studi
di associazione.
L'obbiettivo della ricerca, condotta in collaborazione con il DIBIT
dell'Istituto Scientifico San Raffaele di Milano e l'istituto di genetica
molecolare del CNR di Pavia, e' lo studio storico, medico e genetico di una
popolazione isolata. Lo studio prevede lo sviluppo di un sistema per la
gestione, la memorizzazione e la navigazione sia dei caratteri genealogici sia
di quelli di tipo clinico e genetico. Da un punto di vista metodologico la
ricerca si occupa anche di individuare le tecniche migliori per l'analisi dei
dati genetici al fine di estrarre cirrelazioni tra la presenza di gruppi di SNPs
(single nuclotide polimorfisms) e la patologia.
12. Biogenesi: riprogrammazione funzionale di nuclei di
cellule terminalmente differenziate
Si intende impiegare la tecnica di trasferimento di nuclei somatici di cellule
terminalmente differenziate in oociti enucleati di topo per determinare quali
fattori a livello di citoplasma dell'oocita e quali geni a livello del nucleo
somatico siano implicati nei processi di de-differenziamento e
ri-differenziamento dei nuclei somatici. Lo studio riguardera' solo le prime
fasi di sviluppo dell'embrione ricostituito fino allo stadio di blastocisti
(l'ultimo stadio di sviluppo dell'embrione in vitro) senza alcuna finalita' di
clonazione di tipo riproduttivo.
Lo scopo dello studio e' infatti di definire i percorsi molecolari che
intervengono nel differenziamento cellulare e nei processi che lo rendono
reversibile aprendo la possibilita’ di ottenere in vitro la de-differenziazione
di una cellula somatica prelevata da un individuo adulto e poi di guidarne la
ri-differenziazione fino ad ottenere popolazioni cellulari differenziate ad hoc
per future applicazioni in ambito biomedico.
13. Biogenesi: regolazione dell'espressione genica
durante lo sviluppo preimpianto dell'embrione di topo.
La conoscenza dei meccanismi molecolari che regolano il differenziamento
cellulare durante lo sviluppo embrionale, con il passaggio da una condizione di
totipotenza, pluripotenza sino allo stato differenziato, e' centrale per la
comprensione dei processi differenziativi inclusi quelli coinvolti nella
progressione di malattie genetiche.
L'attivazione di geni embrionali (zygotic genome activation, ZGA) avviene nel
topo a partire dallo stadio di due cellule e rappresenta un evento cruciale
nella vita dell'embrione, poiche' la mancata o scorretta attivazione
dell'espressione di geni embrionali determina la morte dell'embrione stesso. La
ricerca si propone come obiettivo di definire le dinamiche temporali
dell'espressione quantitativa di geni chiave (geni zigotici e geni metabolici)
durante lo sviluppo preimpianto dell'embrione di mammifero ottenuti per
fecondazione in vitro.
14. Biogenesi: differenziamento delle cellule germinali
maschili in condizioni di eterozigosita' cromosomica.
La spermatogenesi e' un complesso processo differenziativo caratterizzato
dall'attivazione di un elevato numero di geni testicolo-specifici l'espressione
dei quali avviene in precisi stadi della citodifferenziazione del gamete
maschile. Eterozigosita' strutturali del cariotipo sono in grado di alterare il
processo di formazione del gamete a vari livelli citodifferenziativi.
Recenti studi hanno messo in evidenza come la localizzazione spaziale dei
cromosomi risulti essere un fattore cruciale per una corretta coordinazione
globale del funzionamento del genoma, della regolazione dei processi cellulari
di base quali replicazione del DNA ed espressione genica.
In topolini portatori di eterozigosita' strutturali del cariotipo, ci si propone
di studiare la relazione tra I cambiamenti dei territori cromosomici all'interno
del nucleo (dovuti alla presenza di eterozigosita') ed il corretto andamento del
processo citodifferenziativo delle cellule germinali maschili. Il cambiamento
nell'interazione fisica di specifiche porzioni genomiche potrebbe alterare
l'espressione di geni e quindi le funzioni cellulari cosi' da danneggiare il
citodifferenziamento delle cellule germinali.
15. Bioingegneria informatica: valutazione economica di
interventi sanitari
La ricerca si propondi commisurare gli outcomes sulla salute ai costi necessari
per raggiungerli. In particolare l'applicazione in corso riguarda la valutazione
economica di uno screening neonatale per la diagnosi precoce della Sindrome
QT-lungo.
16. Bioingegneria informatica: risk management in sanita'
La ricerca si propone di mettere a punto tecniche di validita' generale per
l'analisi e la gestione del rischio inteso sia come rischio del paziete ch come
rischio dell'organizzazione: nel primo caso i rischi riguardano piu'
propriamente la salute, mentre nel secondo caso riguardano aspetti piu' generali
compresi il danno economico e il danno di immagine.
17. Bioinformatica: proteomica.
un settore della bioinformatica ed in particolare della proteomica verso cui la
ricerca scientifica sta focalizzando il proprio interesse è la proteomica
clinica sierica, il cui obiettivo è scoperta di biomarcatori per la patologia
d’interesse tramite l’individuazione delle differenze fra le proteine presenti
nel siero di un paziente sano e di uno patologico.
Una delle tecniche più utilizzate in questo campo è l’analisi differenziale di
spettri di massa SELDI-TOF, e in particolare delle intensità corrispondenti a
tutti i rapporti massa-carica che compongono spettri associati a campioni
patologici e spettri generati da campioni di controllo. Nonostante la ricerca
abbia già lavorato molto in questa direzione, non è ancora stata stabilita una
procedura standard da seguire per effettuare tale analisi.
L’obiettivo del progetto è la messa a punto di una metodologia standard per
l’analisi di dati di espressione proteica ottenuti tramite spettrometria di
massa SELDI-TOF finalizzata alla scoperta di biomarcatori per una certa
patologia d’interesse.
18. Bioinformatica: system biology.
L'obiettivo è sviluppare tecniche di identificazione ad hoc per modelli ibridi
di reti di regolazione genica, con particolare riferimento ai modelli affini a
tratti (PWA). In questi modelli le dinamiche di una rete genetica sono descritte
da una componente continua e da una discreta, in grado di cogliere le
interazioni essenzialmente switch-like tra geni. Il processo di identificazione
complessivo può essere scomposto in quattro task principali: riconoscimento
delle commutazioni in profili di espressione genica, classificazione dei dati
rispetto a possibili modi di funzionamento, ricostruzione dei valori di soglia
che caratterizzano il modello, stima dei parametri cinetici. La ricostruzione di
reti genetiche a partire da dati sperimentali di espressione genica prevede lo
sviluppo e l'integrazione di tecniche specifiche per affrontare i vari task.
19. Biogenesi: effetti delle gonadotropine
sull'espressione genica dell'oocita di topo durante la sua maturazione.
La crescita del follicolo ooforo e' governata da ormoni endocrini e da fattori
paracrini e autocrini. L'ormone follicolo stimolante (FSH, follicle-stimulating
hormone) induce il differenziamento delle cellule follicolari della granulosa
stimolando la biosintesi degli ormoni steroide e l'espressione dei recettori per
l'ormone luteinizzante (LH, luteinising hormone) nei follicoli in via di
maturazione. Un picco di LH induce la rottura del follicolo, l'ovulazione e la
successiva luteinizzazione. Questa sequenza di eventi e' accompagnata da
un'aumento dell'espressione di molti geni sensibili alla presenza di FSH e di LH
(FSH- e LH-responsive genes) nelle cellule follicolari della granulosa e,
probabilmente, attraverso fattori di tipo paracrino e autocrino anche
nell'oocita. Mentre l'effetto delle gonadotropine sulla regolazione
dell'espressione genica nella granulosa dei follicoli in crescita e' stato
studiato molto in profondita', molto poco si conosce sul controllo ormonale
della trascrizione nel gamete femminile. Per meglio comprendere la relazione tra
ormoni gonadotropi e regolazione dell'espressione genica durante la crescita
dell'oocita, in questo studio analizzeremo gli effetti delle gonadotropine
sull'espressione di geni coinvolti nel fenomeno dell'apoptosi e altri regolatori
della crescita dell'oocita.
20. Bioingegneria elettronica: sensoristica intelligente
integrata su dispositivi indossabili
L'attivita' di ricerca fa riferimento al progetto europeo ProeTex:
MicroNanoStructured fibre systems for Emergency-Disaster Wear, volto alla
produzione di indumenti nei quali vengono integrati dispositivi di rilevameno di
segnali vitali, sensori di movimento e di temperatura, dispositivi di
trasmissione per operatori che agiscono in condizioni di emergenza e/o calamita'
naturali (Pompieri, Protezione Civile, ...). Il progetto e' svolto in
collaborazione con aziende leader nel settore dei dispositivi wearable.
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