Cultural Heritage Technologies

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La linea di ricerca in Cultural Heritage Technologies mira a promuovere le collaborazioni interdisciplinari in progetti innovativi che intendono superare gli attuali limiti della ricerca tradizionale relativa al patrimonio culturale e, più in generale, nelle Digital Humanities.

La linea supporta idee innovative e nuovi approcci che richiedono competenze multi- e trans- disciplinari con l'obiettivo di esplorare i modi con cui la tecnologia può espandere gli obiettivi di ricerca relativamente al patrimonio culturale e alle Humanities. Il raggiungimento di questi obiettivi potrà avvenire anche grazie alle consolidate competenze di IIT nel campo della digitalizzazione 3D, del machine learning, delle scienze molecolari e dei nanomateriali.

Enhanced Regenerative Medicine

  • Neuron Small

I problemi neurologici invalidanti sono, dopo HIV, cancro e infarti, i disturbi con il maggior impatto su sanità, economia e società. Le attuali strategie terapeutiche si basano su trattamenti sintomatici, invece di puntare al trattamento della causa del disturbo. La medicina rigenerativa è un promettente filone di ricerca che mira a ripristinare le funzioni cerebrali e ricostituire il tessuto cerebrale danneggiato. Tuttavia, la riparazione delle connessioni all'interno del cervello è una delle maggiori sfide nella scienza moderna che, ad oggi, non è ancora in grado di ricostruire efficacemente le porzioni danneggiate.

La nostra missione è di migliorare la medicina rigenerativa elevandola ad un nuovo paradigma e rendendola in grado di intervenire sui disturbi cerebrali trasformando il trattamento dei sintomi in cura vera e propria. Questo nuovo approccio, che prende il nome di Enhanced Regenerative Medicine, propone soluzioni innovative basate sulla elettronica neuronale ibridata con componenti biologiche. Ciò significa implementare una stretta collaborazione tra tessuto cerebrale bioingegnerizzato, la microelettronica e l'intelligenza artificiale. In questo modo, è possibile creare sinergie in grado di indurre una rigenerazione bioibrida nel cervello. In particolare, le componenti artificiali saranno in grado di migliorare il trapianto di tessuto cerebrale grazie al controllo delle interazioni, dell'integrazione e dell'adattamento del tessuto trapiantato con il cervello stesso.

Laboratori

Il nostro gruppo comprende unità di elettrofisiologia e di tissue engineering. I laboratori sono dotati di double microelectrode array per elettrofisiologia closed-loop in vitro e un set-up per registrazione extracellulare. 
La nostra attività si appoggerà anche alle Facilities di IIT per le colture neuronali 3D, il tissue bioengineering, il calcium imaging, la microscopia, la biologia molecolare e la risonanza magnetica funzionale.

Collaborazioni

Nicola Tirelli, Polymers and Biomaterials, Istituto Italiano di Tecnologia

Progetti

  • FET Proactive 2019-2023
    HERMES – Hybrid Enhanced Regenerative Medicine Systems. Role: Coordinator

Mesoscale Simulations

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La lina di ricerca in Mesoscale Simulations si fonda su due principali argomenti:

Computational Design of Mesoscale Materials

Questa attività è strettamente legata al premio ERC Advanced Grant, Computational Modeling of Mesoscale Porous Materials  (COPMAT). L'obiettivo di COPMAT è la simulazione con una risoluzione vicina a quella molecolare di reattori per microfluidica. Lo scopo è la progettazione e lo studio di nuovi materiali porosi per applicazioni nella bioingegneria e nella medicina rigenerativa.

 

Multiscale Computational Physiology

I farmaci che assumiamo devono essere efficacemente trasportati all'interno del nostro corpo fino a raggiungere l'obiettivo per il quale sono stati sintetizzati. Il complesso ambiente del nostro organismo può drasticamente diminuire l'efficacia di un farmaco ed è per questo che lo studio dei meccanismi di trasporto è un tema chiave nella progettazione di nuove sostanze a scopo terapeutico. La nostra attività si concentra sullo studio computazionale e sulla modellizzazione a vari livelli del trasporto vascolare di nanofarmaci.

Systems Neurobiology

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La linea di ricerca in Systems Neurobiology studia le regole di base con cui sono disegnati i sistemi neurali

La nostra ricerca si basa sull’osservazione che i circuiti neurali si sono evoluti per svolgere determinate funzioni e per tanto il loro disegno non può essere casuale. Esistono regole generali che governano la scelta di un disegno per ogni sistema neurale.

Il nostro laboratorio cerca questi principi fondamentali mediante l’osservazione e la manipolazione di specifici circuiti neurali mentre un animale sta prendendo decisioni e perseguendo specifici obiettivi. Durante questi esperimenti ci piace fare domande come:

  • In quali circostanze un certo tipo di circuito (ad es. inibizione incoerente vs inibizione retroattiva; attivazione vs disinibizione) è preferibile ad un altro?
  • Su quali scale temporali?
  • Perchè?
  • Quale circuito rende una funzione più robusta a possibili perturbazioni indesiderate?

Nonostante i sistemi neurobiologici si siano evoluti per funzionare e non per essere capiti, trovare delle regole semplificatrici rimane il nostro unico modo per capire il sistema nervoso in condizioni fisiologiche e in quelle patologiche.

Laboratori

La nostra linea di ricerca si trova presso il CNCS dell’IIT di Rovereto. Disponiamo di:

 

  • Imaging in vivo (microscopia a singolo e a due fotoni; microendoscopia intracranica; imaging di segnali intriseci);
  • Elettrofisiologia in vivo (patch-clamp e multitrodi ad alta densità);
  • Optogenetica e farmacogenetica;
  • Analisi comportamentale (realtà virtuale, head-fixed decision-making e sequenziamento automatico del comportamento).

Progetti

Systems Neurobiology è generosamente finanziato dal Career Development Award della Fondazione Armenise-Harvard (3+2 anni, $200,000/anno) e il Brain Magnet Project di IIT

Collaborazioni

  • Stefano Panzeri, CNCS-IIT Rovereto
  • Bob Datta, Harvard Medical School, Boston

Nanotechnologies for Neurosciences

  • IMG 4481 1354 749x388 © 2016 IIT 5144
  • IMG 6720D 1369 749x388 © 2016 IIT 5146
  • Cerebellum © 2016 IIT 5445
  • IMG 6351D 1573 749x388 © 2016 IIT 5150
  • IMG 4263 1350 749x388 © 2016 IIT 5143
  • Natale © 2016 IIT 5448

I disordini neurodegenerativi, con condizioni ereditarie o meno, sono caratterizzati da disfunzioni progressive del sistema nervoso. I tumori del cervello sono a tutt’oggi fra le patologie più pericolose per la vita degli adulti e nell’infanzia. Entrambi i progetti di ricerca beneficiano della realizzazione e convergenza di piattaforme tecnologiche comuni, le quali comprendono sia una strumentazione commerciale avanzata, sia nuove tecnologie sviluppate dal Centro stesso.

Divisioni

La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) è uno dei disordini degenerativi neuromuscolari più devastanti per l’uomo, caratterizzato da degenerazione moto-neuronica progressiva (MN), atrofia muscolare e paralisi letale.

Nonostante gli sforzi degli ricerca biomedica in questo campo, molti aspetti dell’ezio-patologia della SLA rimangono ancora oscuri, in particolare per quanto riguarda il meccanismo responsabile della compromissione delle funzioni fisiologiche durante il progredire della malattia.

Il progetto di ricerca ha lo scopo di applicare le nanotecnologie più innovative come strumento per chiarire i processi molecolari, cellulari e tissutali alla base del differenziamento e omeostasi del sistema nervoso. La conoscenza dettagliata di questi processi in cellule sane permetterà la comprensione del loro malfunzionamento durante la degenerazione neuromuscolare

Unità di ricerca: Motoneuroni di topo

Tra i numerosi geni coinvolti nella generazione e progressione della SLA, questa unità di ricerca si occupa del gene che codifica per la proteina FUS/TLS (FUS) che lega l’RNA in modo pleiotropico, e le cui mutazioni sono state trovate nel 4% dei casi di SLA familiare. Questa attività di ricerca si basa sull’uso di cellule embrionali staminali (mESC) come modello per studiare il ruolo di FUS nell’eziopatogenesi molecolare della SLA.

Unità di Ricerca: iPSCs umane

Le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs) forniscono un’opportunità di ricerca per lo studio delle malattie nell’uomo, quando modelli più specifici non sono disponibili. Abbiamo ottenuto cellule SLA-iPSC che possono generare motoneuroni o cellule muscolari in vitro. Questo sistema cellulare riassume i marcatori chiave della patologia, come per esempio la localizzazione anomala delle proteine mutate in risposta allo stress cellulare, e possono esser utilizzate per studiare la correlazione tra mutazioni ed eziopatologia della SLA

Unità di Ricerca: muscoli scheletrici di topo

L’unità è impegnata nell’analisi istologica, molecolare, funzionale e biomeccanica sia di muscoli scheletrici che del sistema nervoso negli animali modello SLA.

Unità di ricerca: Elettrofisiologia

L’unità sviluppa la registrazione di immagini dell’attività elettrofisiologica risolta in tempo di cellule neuronali e microgliali per caratterizzare la loro interazione in condizioni fisiologiche e patologiche (SLA e tumori cerebrali).

Unità di Ricerca: Biochimica

L’unità è specializzata in ingegneria proteica utilizzando metodi di modifica genetica e chimica. In particolare, le differenti proteine di trasporto sono disegnate, clonate, espresse e purificate. Queste sono perciò utilizzate per il rilascio di prodotti farmaceutici, sonde diagnostiche e acidi nucleici in cellule e tessuti.

I tumori del cervello sono fra le malattie più pericolose sia nella vita adulta che durante l’infanzia. Nonostante i recenti progressi nella diagnosi e nel trattamento, le capacità di prognosi rimangono insufficienti. E’ quindi necessario lavorare per il miglioramento delle attuali tecnologie chirurgiche e di registrazione di immagini, così come al miglioramento della caratterizzazione genetica/epigenetica delle specifiche popolazioni di cellule tumorali selezionate.

Un problema cruciale è legato alla presenza di cellule staminali tumorali nel cervello (CSC) che rappresentano una riserva di cellule tumorali, che alimentano e mantengono i tumori e la loro progressione.

Il progetto di ricerca è principalmente impegnato in: 1) sviluppare tecnologie di registrazione di immagini in-vivo per migliorare il rilevamento di tumori durante la delineazione intra-operativa di un potenziale tumore cerebrale; 2) comprendere la biologia e la dinamica della popolazione CSC e i segnali molecolari delle vie metaboliche patogeniche che sostengono CSC (come i segnali Hedgehog e Notch). Lo scopo finale è quello di identificare agenti teranostici (ovvero terapeutici e diagnostici) da usare nella diagnosi e nelle procedure successive. Una specifica enfasi è data a nanoparticelle teranostiche e multifunzionali basate sul rilascio di agenti aventi come bersaglio le vie metaboliche del segnale molecolare CSC- specifico e la neo-angiogenesi.

Laboratori e piattaforme di Supporto sperimentale

Questo progetto ambizioso è condotto nei nostri laboratori, all’interno di un ampio locale equipaggiato con diverse stazioni di lavoro di biologia molecolare e cellulare, che includono: camere sterili per coltura cellulare e tissutale, laboratorio con rischio biologico per le colture cellulari in sicurezza BSL3, camera di microbiologia, camera oscura, e stanza strumenti. Tra le strumentazioni disponibili abbiamo: Real Time Viia7, thermal cyclers, Luminometer, Chemidoc, Nanodrop, Cryostat.

Piattaforme di supporto sperimentale

La piattaforma di genomica si rivolge a progetti di sequenziamento e analisi dell’espressione genica condotti sia all’interno che all’esterno del Centro. Questa piattaforma integrata fornisce un servizio completo alla comunità scientifica di riferimento ed è dedicata al conseguimento dell’eccellenza operazionale, al disegno del processo avanzato, alla visualizzazione e analisi dei dati, e allo sviluppo tecnologico. La piattaforma di genomica è equipaggiata con Illumina Hiseq 1500, Miseq, NanoString nCounter, strumentazione convenzionale e tecnologie di supporto per la preparazione dei campioni e la generazione di librerie convalidate.

La struttura di Bioinformatica supporta i ricercatori dell’IIT nell’analisi dei dati di sequenziamento di nuova generazione (NGS). Il complesso è sostenuto da una piattaforma computazionale ad alta prestazione la cui architettura è specificamente concepita per l’analisi dei dati genomici:

  • Gateway to Illumina Miseq and Hiseq sequencers
  • HP Enclosure with 11 blades
  • HPC cluster with 9 nodes for parallel computing
  • 130+ cores up to 512GB RAM
  • 60+ Terabytes of SAN storage
  • Lustre parallel file system supporting HPC simulation environment
  • Tape library.

La struttura partecipa a vari progetti e collaborazioni, fornisce i programmi di analisi dati NGS più usati, disegnando canali specifici per diversi tipi di dati genomici e sviluppando strumenti personalizzati di bioinformatica. Sono offerti livelli avanzati e standard di analisi NGS che includono: sequenziamento RNA-seq, miR-seq, ChIP-seq, exome completo e sequenziamento del genoma (WES, WGS). (WES, WGS).

Il bioprinting è una tecnologia che crea costrutti cellulari viventi attraverso la deposizione 3D di materiale biologico, strato dopo strato, consistente in componenti cellulari e di matrice cellulare (inchiostro bio), e trova applicazione nello sviluppo di modelli di tessuto bio-mimetico per studi in-vitro o per la produzione di tessuti di sostituzione, funzionali e trapiantabili, nell’ingegneria tissutale. In particolare, il Centro sta sviluppando un sistema di bioprinting basato sull’estrusione micro-fluidica di fibre di idrogel contenenti cellule in coltura. Differenti idrogel con proprietà chimiche e meccaniche modificabili sono utilizzati come supporto per matrici extracellulari, in grado di ricreare un ambiente 3D per colture cellulari.

Il laboratorio di citometria a flusso è equipaggiato con due strumenti a base laser, con il principale scopo di caratterizzare ed isolare una varietà di popolazione cellulare sia di origine umana che di topo. La tecnologia di questi strumenti permette un’analisi simultanea, multi-parametrica, di migliaia di cellule per secondo, per una rapida analisi di complesse popolazioni cellulari. Questo è raggiunto grazie all’uso di differenti anticorpi marcati o coloranti che mirano a molecole specifiche espresse sulla superficie o nel citoplasma delle cellule, permettendo di studiare i dettagli di un campione complesso o per identificare un sottoinsieme di cellule espresse con bassa frequenza.

Con questi strumenti, fluorocromi legati a differenti anticorpi sono in grado di identificare specifiche molecole all’interno di una data cellula, quindi di caratterizzarla (citometria a flusso) e, finalmente, di selezionare specifici bersagli per isolamento (selezionatore cellulare).

L’analizzatore cellulare BD LSRFortessa è un citometro a cinque sorgenti laser (488nm, UV 355nm, V 405nm, 561nm e 640nm) e 18 rilevatori di fluorescenza gestito dal software BD FACSDiva su XP.

Le caratteristiche dell’analizzatore di cellule sono:

  • Identificare le cellule usando anticorpi per superfici specifiche e marcatori intracellulari;
  • discriminare cellule transfettate usando sonde specifiche (per esempio GFP, RFP etc)
  • studiare la proliferazione cellulare (CFSE…) apoptosi e/o morte cellulare (Annexin-V, 7-AAD).

Il BD FACSAriaIII è un selezionatore di cellule a quattro sorgenti laser (488nm, 375nm, 561 nm e 640nm) e 10 rilevatori di fluorescenza programma gestito dal software BD FACSDiva su XP.

I dettagli del selezionatore cellulare sono:

  • Selezionare fino a quattro popolazioni cellulari;
  • Isolamento di cellule singole;
  • Capacità di selezionare in tubi (1,5ml, 5ml, 15ml), in pozzetti multipli (6, 24, 48, 96 e 384 pozzetti), vetrini a scomparti (2 o 8 wells) e vetrini standard.

 

Il complesso di Imaging include sia strumenti commerciali che all’avanguardia, con lo scopo di fornire un completo panorama di tecniche per affrontare attività di ricerca in campo biomedico. Queste includono:

  • Microscopio confocale a scansione a singolo e due fotoni
  • Microscopio confocale spinningidsk
  • Microscopia non lineare per registrazione di immagini CARS e SRS.
  • Nano-Microscopia IR
  • Nano-Microscopia Raman.
  • Microscopia a luce strutturata
  • Optogenetics.

Il principale scopo del laboratorio è di disegnare sistemi micro e nano-fluidici per applicazioni biomediche. Stiamo al momento lavorando allo sviluppo di modelli di vasi sanguigni su chip e sul disegno di un nano-poro basato su sensori per l’analisi di singole molecole di proteine e peptidi. Inoltre, stiamo lavorando a linee di ricerca fondamentale che riguardano la cavitazione, micro-nuotatori, e flussi a multifase nel micro-scala.

Il laboratorio è equipaggiato con un apparato per micro PIV per misurare la velocità del campo di flusso nella microscala (laser pulsato, microscopio invertito, fotocamera a doppio fotogramma), una fotocamera a elevata velocità e un set di pompe per manipolare piccoli volumi di fluido. Il laboratorio porta avanti anche simulazioni numeriche che vanno dal modello atomistico alla dinamica di fluido continuo.

Una struttura di colture cellulari dà sostegno alle attività di ricerca dei due progetti principali (A1 e A2) fornendo l’equipaggiamento appropriato per il lavoro legato alle colture cellulari di mammifero. Lo scopo di questo complesso è quello di fornire una piattaforma comune per portare avanti esperimenti sulle cellule e mantenere e conservare linee cellulari sperimentali. Una cappa a flusso laminare con stereoscopio dedicato alla riprogrammazione cellulare è organizzato per cellule staminali pluripotenti umane e di topo.

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