Rizzo G, Spinelli A., Scalco E. IBFM-CNR, Istituto Scientifico San Raffaele Milano

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1 Tecniche di imaging tomografico non distruttivo in medicina rigenerativa Rizzo G, Spinelli A., Scalco E. IBFM-CNR, Istituto Scientifico San Raffaele Milano

2 Imaging tomografico in ingegneria tissutale Creazione modello della struttura da rigenerare Progettazione dello scaffold con proprietà adeguate al tessuto Monitoraggio delle proprietà morfo-strutturali e funzionali del tessuto durante la crescita Imaging 3D non distruttivo Modello tessuto Progettazione scaffold Produzione scaffold Monitoraggio tessuto

3 Creazione modello della struttura da rigenerare Modello anatomico geometria, morfologia, ricostruzione 3d Modello fisico/chimico densità, elasticità Modello fisiologico perfusione, metabolismo, concentrazione molecolare Approccio multiscala Misure in vivo di ausilio a modelli computazionali

4 Progettazione dello scaffold -Caratterizzazione geometrica (dimensione, forma, interconnessione) meccanica (elasticità,viscosità) biologica (porosità) acquisizione 3D sito di impianto per condizioni al contorno acquisizione 3D scaffold per simulazione proprietà meccaniche e biologiche in vivo

5 Monitoraggio delle proprietà del tessuto - Interazione dinamica scaffold tessuto valutazione/monitoraggio proprietà geometriche e fisico/chimiche dello scaffold valutazione/monitoraggio proprietà anatomiche, fisiche e funzionali del tessuto - Monitoraggio tessuto in vivo (animale, uomo) Livello microscopico Livello d organo

6 Tecniche di imaging nell ingegneria tissutale Tecniche di acquisizione ottiche (tomografia OCT) tomografiche convenzionali/microtomografi (CT, MRI, PET) Tecniche di elaborazione Miglioramento qualità (filtri) Identificazione sottostrutture (segmentazione) Quantificazione parametri (analisi automatica, modelli fisiologici) Ricostruzione 3D (viste ortogonali, rendering di volume o superficie) Integrazione informazioni multimodali (registrazione spaziale) Conoscenze metodologiche specifiche interazione tra discipline diverse

7 Tecniche di acquisizione tomografica CT morfologia/struttura microct MRI morfologia/struttura, funzione T1 MRI dmri PET/SPECT funzione SPECT/CT

8 Tecniche di acquisizione tomografica Appel, Biomaterials, 34: , 2013

9 Tomografia a raggi X (CT) Legge di Lambert-Beer I(z)=I 0 e -μz CT, mct Coefficiente di attenuazione del tessuto (Unità Hounsfield) Peripheral Quantitative CT (pqct) Densità del tessuto ( mg/cm 3 ) Imaging quantitativo

10 Tomografia a raggi X (CT) Tessuto Valore di attenuazione (HU) Aria Polmone Grasso Acqua 0 Materia bianca Materia grigia Muscolo Sangue 40 Osso trabecolare 400 Osso corticale 1000 Metallo 3000

11 Tomografia a raggi X (CT) Caratteristiche dei tomografi Risoluzione transassiale Spessore della sezione TC pqct μct 1-2 mm μm 1-3 mm μm 1-20 μm in vitro μm in vivo 1-20 μm in vitro μm in vivo FOV cm 5-15 cm 1-5 cm Tempi di acquisizione 0.5 s/sezione s/sezione 5-30 s/sezione Nano CT < 1mm

12 Tomografia a raggi X (CT) Applicazioni: Modello anatomico della struttura da rigenerare Interfaccia Osso Tessuti molli Caratterizzazione morfo-strutturale del tessuto osseo Progettazione dello scaffold (microarchitettura) Monitoraggio crescita del tessuto osseo e della vascolarizzazione

13 Imaging CT per caratterizzazione osso Caratterizzazione morfo-strutturale del campione osseo Separazione automatica regioni corticale, trabecolare e di transizione (operazioni morfologiche) Calcolo automatico indici morfostrutturali Rizzo, Annals Biomed Eng, 39: , 2011 Rubinacci, Osteop Int, 23: , 2012 Area e Volume Densità del tessuto osseo Rapporto tra volume totale e volume del tessuto osseo Spessore delle trabecole e degli spazi tra le trabecole Numero di trabecole per mm Spessore corticale e dei pori corticali

14 Imaging CT per caratterizzazione osso Ricostruzione 3D di microarchitettura Rizzo, Proceedings of IEEE-EMBS 30 th Annual Conference, 2008 pqct (100 mm) Gauthier, Biomaterials, 26: , 2005 mct (34 mm)

15 Imaging CT per caratterizzazione scaffold Materiali: Schiuma, nanofibre, tessile,ceramica Guldberg, Biomaterials, 29: , 2008 Cancedda, Biomaterials, 28: , 2007 No metalli (artefatto)

16 Imaging CT per caratterizzazione scaffold Analisi quantitativa 3D delle proprietà dello scaffold Larghezza e forma pori Interconnettività Rapporto area/volume Proprietà biologiche Spessore medio di parete Cross-sectional area Anisotropia Microarchitettura Proprietà meccaniche

17 Imaging CT per caratterizzazione scaffold Estrazione architettura scaffold tramite segmentazione Scelta soglia ottima Soglia diversa Diverso risultato segmentazione Courtesy of Pennella, Morbiducci et al., Politecnico di Torino

18 Ricostruzione 3D Scaffold compositi (vetro bioattivo e matrice polimerica composta da chitosano e gelatina). Risoluzione pixel pari a 8.7 μm Scaffold polimerico (gelatina reticolata con genipina) Risoluzione pixel pari a 0.6μm A Ricostruzione 3D di un poro Courtesy of Pennella, Morbiducci et al., Politecnico di Torino

19 Modelli computazionali per ottimizzare il trasporto in scaffold per la medicina rigenerativa Studio della fluidodinamica di scaffold compositi, valutazione permeabilità Visualizzazione delle linee di flusso Courtesy of Pennella, Morbiducci et al., Politecnico di Torino

20 Monitoraggio crescita tessuto osseo su scaffold Visualizzazione 3d e analisi 3d quantitativa con segmentazione multisoglia quantificazione volume e attenuazione/densità Jones, Biomaterials, 28: , 2007 Variazioni densità nel tempo Modello cinetico crescita ossea e degrado scaffold Papadimitropoulos, Biotechnology and bioengineering, 98: , 2007

21 Studio vascolarizzazione tessuto Mezzo di contrasto (Microfil, BaSO 4 ) Proprietà studiate: Volume Spessore e numero Connettività (rete) Grado anisotropia Artefatti: Leakage Volume parziale Guldberg, Biomaterials, 29: , 2008

22 Monitoraggio crescita cartilagine Mezzo di contrasto ionico mct ad alta risoluzione Kerckhofs, European Cells and Materials, 25: , 2013

23 Tomografia a Risonanza Magnetica (Protoni) MRI Interazione RF protoni idrogeno tessuto immerso in campo magnetico Segnale RF emesso dipende da: Densità protonica r Tempo di rilassamento Spin-reticolo T1 Tempo di rilassamento Spin-Spin T2 Stato fisico e variazione magnetizzazione molecole d acqua del tessuto T1 T2 r Crema, Radiographics, 31: 37-62, 2011

24 MRI in ingegneria dei tessuti Contrasti MRI endogeni (T 1, T 2, r) Tessuti T 1 [ms] T 2 [ms] Grasso Fegato Pancreas Tiroide Muscolo scheletrico Muscolo cardiaco Sostanza bianca Sostanza grigia Polmone Milza Rene Sangue Liquor ~1500 ~1500 Acqua ~3400 ~3400 Fazio e Valli, Patron Editore,1999 Figura modificata da Nessi, Schering, 2000 Agenti di contrasto (SPIONs, GdDTPA, )

25 MRI in ingegneria dei tessuti Tecnica acquisizione Proprietà del tessuto Applicazione Anatomica (T 1, T 2, ρ) Contenuto d acqua Anatomia e struttura, concentrazione minerale Diffusione (Coeff. Diff) Diffusività molecole acqua Valutaz. anisotropia tessuto, porosità Trasferimento magnetizzazione (T 1ρ, MT) Shift chimico (Dn) Elastografia Eterogeneità Composizione chimica Proprietà meccaniche Valutaz. concentrazione macromolecolare Valutaz. concentrazioni molecolari, studio o soppressione tessuto adiposo Valutaz elasticità/rigidezza, viscosità

26 MRI in ingegneria dei tessuti Caratteristiche immagini MRI dipendono da scanner e da sequenza di acquisizione differenti per i vari contrasti Risoluzione spaziale immagine Scanner ad alto campo (3T-11T) Alti gradienti di campo mm Migliore risoluzione: FOV=1cm; Tempi di acquisizione=10 h FOV + ampio, tempi + brevi peggiore risoluzione

27 MRI in ingegneria dei tessuti Applicazioni Modello anatomico tessuti molli Caratterizzazione multiparametrica tessuto - cartilagine - grasso - vasi - osso - tessuto nervoso - muscolo Monitoraggio crescita cellulare e sviluppo tissutale (anche in bioreattore)

28 Caratterizzazione MRI del tessuto osseo Monitoraggio multiparametrico processo di osteogenesi Week0 Week1 Week2 Week3 Week4 Xu, Physics in Medicine and Biology, 51: , 2006

29 Caratterizzazione MRI della cartilagine Monitoraggio multiparametrico MRI Xu, J Biosci Bioeng, 106: , 2008 Kotecha, Tissue Engineering: Part B, 19: 1-15, 2013

30 Uso combinato microct e MRI Modello del disco intervertebrale T2-w NP= nucleo polposo IVD= Disco InterVertebrale Bowles, NMR in Biomedicine, 25: , 2012

31 Tomografia ad emissione a) Molecola con isotopo radioattivo( es. [ 18 F]-FDG) c) Ricostruzione di immagini funzionali b) Acquisizione di distribuzione di radioattività Annihilation reaction 511 kev + Electron Positron kev

32 Alcuni Traccianti PET Metabolismo del glucosio [ 18 F]FDG Funzione di membrana [ 11 C]Choline Metabolismo amminoacidi [ 18 F]FET / [ 11 C]MET Proliferazione [ 18 F]FLT [ 18 F]FMISO Ipossia [ 18 F]FAZA [ 64 Cu]ATSM Apoptosi [ 18 F]Annexin V Angiogenesi [ 18 F]RGD peptide Caratteristiche immagini micropet: Risoluzione spaziale=1 mm FOV= 10 cm Tempo di acquisizione=1 ora microspect: Risoluzione spaziale=1.5mm FOV=10 cm Tempo di acquisizione=15 minuti

33 Tomografia ad emissione in ingegneria tissutale Applicazioni Caratterizzazione dell attività cellulare su scaffold (anche in basse concentrazioni) attività glicolitica sopravvivenza cardiomiociti funzionalità e crescita in modello tessuto tracheale adesione e perfusione in tessuto decellularizzato 18 FDG-PET Monitoraggio crescita tissutale in vivo (piccoli animali) distribuzione fattori di crescita in tessuto osseo neovascolarizzazione del tessuto attività metabolica di cellule impiantate (retention) 18 FDG-PET/ 99 Tc MDP-SPECT

34 PET/SPECT in ingegneria tissutale Terrovitis, J Am Coll Cardiol, 54: , 2009

35 imaging tomografico 3D non distruttivo in medicina rigenerativa Il futuro Progresso tecnologico scanner Miglior risoluzione spaziale Minor tempo acquisizione Minor costo Nuovi agenti di contrasto Nuove sequenze Miglior qualità immagine nuovi parametri investigabili Progressi elaborazione immagini Miglior accuratezza parametri Integrazione competenze multidisciplinari Miglior sfruttamento imaging nell applicazione