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Onde luminose per trasmettere luce laser attraverso tessuti tumorali

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Onde luminose per trasmettere luce laser attraverso tessuti tumorali

Tsunami di luce contro il cancro: grazie alle onde luminose estreme sarà possibile concentrare energia in modo preciso e non-invasivo in tessuti tumorali profondi. Questa la scoperta di un gruppo di ricerca formato da Sapienza Università di Roma, Istituto dei Sistemi Complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Università Cattolica del Sacro Cuore e Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli IRCCS, che è riuscito nella trasmissione di luce laser di intensità estrema attraverso tumori millimetrici. Il risultato, pubblicato su Nature Communications, apre importanti prospettive per nuove tecniche di fototerapia per il trattamento del cancro.

Onde luminose per trasmettere luce laser attraverso tessuti tumorali
Onde luminose estreme possono essere sfruttate per trasmettere luce laser intensa e concentrata attraverso campioni di tessuti tumorali

La luce laser ha potenzialità enormi per lo studio ed il trattamento dei tumori.

Fasci laser in grado di penetrare in profondità in regioni tumorali sarebbero di importanza vitale per la fototerapia, un insieme di tecniche biomediche d’avanguardia che utilizzano luce visibile ed infrarossa per trattare cellule cancerose o per attivare farmaci e processi biochimici.

Tuttavia, la maggior parte dei tessuti biologici è otticamente opaca ed assorbe la radiazione incidente, e questo rappresenta il principale ostacolo ai trattamenti fototerapici. Trasmettere fasci di luce intensi e localizzati all’interno di strutture cellulari è quindi una delle sfide chiave per la biofotonica.

Un team di ricerca di fisici e biotecnologi, guidato da Davide Pierangeli per il Consiglio Nazionale delle Ricerche, Claudio Conti per la Sapienza Università di Roma, e Massimiliano Papi per l’Università Cattolica del Sacro Cuore e la Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli IRCCS, ha scoperto che all’interno di strutture cellulari tumorali possono formarsi degli “tsunami ottici”, onde luminose di intensità estrema note in molti sistemi complessi, che possono essere sfruttate per trasmettere luce laser intensa e concentrata attraverso campioni tumorali tridimensionali di tumore pancreatico.

“Studiando la propagazione laser attraverso sferoidi tumorali – spiega Davide Pierangeli – ci siamo accorti che all’interno di un mare di debole luce trasmessa c’erano dei modi ottici di intensità estrema.  Queste onde estreme rappresentano una sorgente super-intensa di luce laser di dimensioni micrometriche all’interno della struttura tumorale. Possono essere utilizzate per attivare e manipolare sostanze biochimiche”.

“Il nostro studio mostra come le onde estreme, che fino ad oggi erano rimaste inosservate in strutture biologiche, siano in grado di trasportare spontaneamente energia attraverso i tessuti – continua Claudio Conti – e possano essere sfruttate per nuove applicazioni biomediche.

“Con questo raggio laser estremo – conclude Massimiliano Papi – potremmo sondare e trattare in maniera non-invasiva una specifica regione di un organo. Abbiamo mostrato come tale luce può provocare aumenti di temperatura mirata che inducano la morte di cellule cancerose, e questo ha implicazioni importanti per le terapie fototermiche.”

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, dimostra uno strumento totalmente nuovo nella cura al cancro.

 

Riferimenti:

Extreme transport of light in spheroids of tumor cells – Davide Pierangeli, Giordano Perini, Valentina Palmieri, Ivana Grecco, Ginevra Friggeri, Marco De Spirito, Massimiliano Papi, Eugenio DelRe, e Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-40379-7

 

Testo e immagine dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Astronomia

Intitolato un cratere di Marte a Giovanni Picardi

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struttura interna Nature Marte Curiosity mappa

Intitolato un cratere di Marte a Giovanni Picardi

Il riconoscimento è stato attribuito dall’Unione Astronomica Internazionale al professore della Sapienza, punto di riferimento nel mondo delle applicazioni spaziali di tecnologie radar, scomparso nel 2015.

Lo IAU Working Group per la nomenclatura del sistema planetario ha assegnato il nome di Giovanni Picardi a un ampio cratere di Marte.

“Un riconoscimento per il contributo che il nostro docente ha dato allo studio e alla conoscenza del Pianeta rosso – ha dichiarato la rettrice Antonella Polimeni – e per i nostri ricercatori e le nostre ricercatrici che quotidianamente lavorano per rendere lo spazio meno lontano e sconosciuto”.

Giovanni Picardi è stato punto di riferimento per tutti i radar dell’Agenzia spaziale italiana, a partire dal programma X-SAR sviluppato in collaborazione con l’Agenzia spaziale tedesca e presente in tre voli dello Space Shuttle. Ma ha avuto un ruolo fondamentale anche per i radar presenti in diverse missioni interplanetarie, da Mars Express – di cui è stato responsabile scientifico del radar MARSIS – a Mars Reconnaissance Orbiter fino a Cassini.

Il lavoro scientifico di Picardi, ampiamente riconosciuto a livello internazionale in particolare presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, ha prodotto innovativi concetti di sistema in grado di svelare gli aspetti più nascosti di mondi quali Marte e Titano; nonché di contribuire  a realizzare l’avanzato e innovativo sistema italiano COSMO-SkyMed per l’osservazione della Terra con tecniche radar.

Il contributo del docente della Sapienza è stato fondamentale anche nell’ambito della formazione e della didattica. Come fondatore e primo direttore del Dipartimento di Scienza e tecnica dell’informazione e della comunicazione, poi confluito nel Dipartimento di ingegneria dell’informazione, elettronica e telecomunicazioni, Picardi è stato un “maestro” per almeno tre generazioni accademiche di studenti e ricercatori nel settore delle telecomunicazioni e creatore di un nuovo dottorato interdisciplinare in Telerilevamento.

Marte Curiosity cratere
Immagine da Curiosity. Foto NASA/JPL-Caltech/MSSS in pubblico dominio

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Medicina

Sonda individua i tessuti da rimuovere negli interventi di chirurgia dei tumori neuroendocrini

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chirurgia sonda tumori

Allo IEO una sonda “cerca-tumore” individua con precisione i tessuti tumorali da rimuovere nel corso degli interventi di chirurgia dei tumori neuroendocrini

Uno studio clinico condotto presso l’Istituto Europeo di Oncologia dimostra l’efficacia di un’innovativa sonda, sviluppata dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dalla Sapienza Università di Roma, nell’individuare con precisione i tessuti tumorali da rimuovere nel corso degli interventi di chirurgia dei tumori neuroendocrini.

chirurgia sonda tumori
Immagine di Mohamed Hassan

Un team congiunto di medici, ricercatrici e ricercatori dell’Istituto Europeo di Oncologia (IEO), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e di Sapienza Università di Roma, coordinato da Emilio Bertani della Divisione di Chirurgia dell’apparato digerente e Direttore dell’Unità di Chirurgia dei tumori neuroendocrini dello IEO, e Francesco Ceci Direttore della Divisione di Medicina Nucleare dello IEO, ha dimostrato con uno studio clinico che l’impiego di una innovativa sonda “cerca-tumore” migliora l’efficacia della chirurgia dei tumori neuroendocrini gastrointestinali.

La sonda oggetto dello studio costituisce uno strumento innovativo in grado di rilevare i positroni, particelle emesse da radiofarmaci come quelli comunemente utilizzati per eseguire una diagnostica PET. Il dispositivo, sviluppato da INFN e Sapienza, ha dimostrato un’elevata sensibilità nell’individuare cellule tumorali marcate con un radiofarmaco specifico per i tumori neuroendocrini. Una capacità che rende la sonda efficace nel guidare la mano del chirurgo esattamente alla sede della lesione, per quanto microscopica o in una posizione difficile. Lo studio condotto in IEO fra maggio 2022 e aprile 2023 su 20 pazienti ha infatti dimostrato che la nuova sonda è in grado rivelare le sedi di malattia con una sensibilità e specificità del 90%.

Grazie all’impiego della sonda le operazioni chirurgiche, sia tradizionale che con robot, risulteranno quindi più precise e conservative, in quanto sarà possibile rilevare con grande precisione la presenza di tessuti da rimuovere, evitando al contempo asportazioni inutili. In sintesi, la procedura prevede l’iniezione di una minima dose di radiofarmaco specifico per i tumori neuroendocrini che va selettivamente a posizionarsi sulle cellule tumorali.

“La chirurgia radioguidata – spiegano Francesco Collamati dell’INFN e Riccardo Faccini di Sapienza Università di Roma – fino ad oggi ha utilizzato le sonde a raggi gamma che non funzionano quando quello che si vuole rivelare è vicino ad organi che assorbono molto radiofarmaco, come per esempio nell’addome. Una sonda come quella da noi ideata, che rivela i positroni anziché i fotoni, permette di rivelare esattamente specifiche forme di tumore in zone del corpo dove sarebbe altrimenti impossibile individuarle. Grazie alla collaborazione con IEO, siamo riusciti a validare per la prima volta la sonda durante interventi chirurgici”.

Ideatore della possibilità di effettuare questa sperimentazione presso l’IEO è stato Francesco Ceci, Direttore della Divisione di Medicina Nucleare, nonché uno dei maggiori esperti del settore.

“Da sempre il mio focus di ricerca è stata la Teranostica, quella disciplina che unisce la diagnostica di ultima generazione con le terapie di precisione. Quando sono venuto a conoscenza di questo dispositivo ho subito intuito le incredibili potenzialità ed è iniziata una proficua collaborazione con il dott. Collamati. La vera innovazione di questa procedura chirurgica risiede nel somministrare ai pazienti durante l’intervento lo stesso radiofarmaco cancro-specifico usato per la diagnostica PET. Prima individuiamo con la PET le localizzazioni del tumore e poi utilizziamo la sonda per rimuoverle con grande accuratezza. Diagnosi e terapia, le basi della Teranostica, questa volta applicate alla chirurgia”.

“IEO è sempre più vicino all’obiettivo “chirurgia di precisione”, capace di asportare niente di più e niente di meno di ciò che è necessario per guarire – spiega Emilio Bertani, chirurgo della Divisione di Chirurgia dell’Apparato Digerente e coordinatore dello studio clinico – Anche il chirurgo più esperto in un caso su tre può lasciare della malattia residua, non visibile neppure alla PET perché localizzata ad esempio nei piccoli linfonodi vicini ai vasi mesenterici. La sonda beta è in grado di rilevare anche la minima presenza di cellule tumorali e nell’ 80% dei casi il chirurgo riesce a rimuoverle senza creare danni eccessivi. Il punto forte della procedura è che bilancia la capacità di trovare la malattia e la necessità di preservare tessuti vitali per il paziente”.

“È importante ricordare che per i Tumori Neuroendocrini la chirurgia è l’unica forma di cura radicale – continua Bertani – purtroppo però fino al 30% delle laparotomie non arrivano a sterilizzare il letto tumorale e dunque a controllare il tumore. Le metastasi linfonodali si ripresentano nel 10% dei casi. La nuova sonda rappresenta quindi un grande progresso e una speranza nel trattamento dei NET anche se occorre sottolineare che ciò che cambia il risultato non è tanto la tecnologia quanto la procedura. La sonda è efficace soltanto se è in mano a un chirurgo esperto”.

“Gli eccellenti risultati ottenuti sui tumori neuroendocrini ci incoraggiano ad estendere lo studio. È già in corso in IEO uno studio nel carcinoma prostatico, e abbiamo in programma di applicare la procedura con la sonda beta anche ad altri tumori gastrointestinali e ai tumori ginecologici” conclude Ceci.

 

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Biologia

Metodo per ottenere informazioni sulla stabilità di multimeri di G-quadruplex telomerici, per contrastare la crescita delle cellule tumorali

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DNA

Misure sperimentali e simulazioni al calcolatore per contrastare la crescita delle cellule tumorali: un nuovo metodo consente di ottenere informazioni sulla stabilità di multimeri di G-quadruplex telomerici

Un nuovo metodo basato sull’applicazione della fisica della materia a sistemi biologici permette di studiare particolari molecole coinvolte nella crescita delle cellule tumorali. Il protocollo messo a punto, frutto della collaborazione fra il Dipartimento di Fisica della Sapienza, il Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e l’Istituto Officina dei Materiali del Cnr, potrà essere applicato tanto per sviluppare farmaci antitumorali di nuova generazione quanto per valutare l’efficacia di quelli esistenti. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Journal of American Chemical Society (JACS), che ha anche selezionato un’immagine creata dagli autori come copertina supplementare.

DNA multimeri di G-quadruplex telomerici
Foto di Gerd Altmann 

I telomeri sono particolari aree del DNA umano legate a più dell’85% dei tumori maligni e il loro studio potrebbe portare allo sviluppo di farmaci antitumorali di nuova generazione con un ampio spettro d’azione.

Questi elementi si trovano all’estremità dei cromosomi e hanno una funzione protettiva poiché preservano l’integrità del DNA durante i processi di replicazione cellulare, svolgendo un ruolo importante nel processo di invecchiamento cellulare. Ogni volta che una cellula si divide, i telomeri a poco a poco si accorciano sempre di più. Quando diventano troppo corti, la cellula perde la sua capacità di replicarsi correttamente e può entrare in uno stato di invecchiamento o morire. Nel caso delle cellule tumorali di più dell’85% dei tumori maligni, si verifica l’attivazione di un enzima chiamato telomerasi, che mantiene i telomeri più lunghi rispetto alle cellule normali. Ciò conferisce alle cellule tumorali immortalità e la capacità di proliferare in modo illimitato. La stabilizzazione dei G-quadruplex, strutture elicoidali a quattro filamenti che si formano nei telomeri, tramite l’uso di molecole chiamate ligandi, rappresenta un efficace approccio per inibire l’attività della telomerasi e limitare la crescita delle cellule tumorali. Questi ligandi potrebbero quindi fungere da nuovi farmaci per il trattamento del cancro.

La maggior parte delle ricerche attuali si concentra sui G-quadruplex in condizioni ideali, cioè come molecole biologiche che non interagiscono reciprocamente. Tuttavia, in condizioni biologicamente rilevanti, come ad esempio alle estremità dei cromosomi, possono formarsi strutture composte da più unità interagenti di G-quadruplex, note come multimeri.

In uno studio coordinato da Cristiano De Michele del Dipartimento di Fisica della Sapienza, Lucia Comez dell’Istituto Officina dei Materiali del Cnr di Perugia e Alessandro Paciaroni del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia è stato sviluppato un nuovo metodo che consente di ottenere informazioni sulla stabilità di multimeri di G-quadruplex telomerici.

I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista Journal of American Chemical Society (JACS), potranno essere applicati tanto per sviluppare farmaci antitumorali di nuova generazione quanto per valutare l’efficacia di quelli esistenti.

In particolare, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta delle simulazioni “extremely coarse-grained” in cui i G-quadruplex vengono rappresentati con semplici forme geometriche, come cilindri o parallelepipedi. Queste simulazioni non sono particolarmente pesanti e consentono lo studio di migliaia di G-quadruplex interagenti tra di loro, riproducendo così condizioni biologicamente rilevanti. Questo ha permesso un confronto diretto tra i risultati numerici al calcolatore e gli esperimenti effettuati sia presso i nostri laboratori che in centri di ricerca internazionali, fornendo una inedita rappresentazione dei multimeri di G-quadruplex.

“In particolare – spiega De Michele – abbiamo studiato come dei ligandi, cioè dei potenziali farmaci antitumorali, agiscano sui G-quadruplex e grazie al nostro innovativo approccio abbiamo potuto capire in che modo risultano efficaci nella loro stabilizzazione”.

“Inoltre – aggiunge Paciaroni – nel nostro lavoro definiamo un protocollo che si potrà applicare per lo studio dei G-quadruplex, ma che in futuro potrà anche essere utilizzato per altri sistemi biofisici”.

“Questo studio – conclude Comez – rappresenta un notevole passo in avanti nel nostro percorso, iniziato diversi anni fa, per comprendere le proprietà elusive di questi sistemi biologici altamente complessi”

Riferimenti:

Stacking Interactions and Flexibility of Human Telomeric Multimers – Benedetta Petra Rosi, Valeria Libera, Luca Bertini, Andrea Orecchini, Silvia Corezzi, Giorgio Schirò, Petra Pernot, Ralf Biehl, Caterina Petrillo, Lucia Comez, Cristiano De Michele, e Alessandro Paciaroni – J. Am. Chem. Soc. 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c04810

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Astronomia

MISTRAL: il contributo Sapienza al Sardinia Radio Telescope

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strumento MISTRAL Sardinia Radio Telescope SRT

MISTRAL: il contributo Sapienza al Sardinia Radio Telescope

Nell’ambito del Programma Operativo Nazionale (PON) denominato “Potenziamento del Sardinia Radio Telescope per lo studio dell’Universo alle alte frequenze radio” un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza ha realizzato un importante strumento che consiste in un ricevitore con 415 rilevatori che operano simultaneamente. Il sistema contribuirà all’osservazione dettagliata di fenomeni celesti prima non esplorabili.

Potenziamento tecnologico del Sardinia Radio Telescope – SRT

È stata completata l’installazione dello strumento MISTRAL, realizzato da un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica di Sapienza, per il Sardinia Radio Telescope, l’imponente radiotelescopio di 64 metri di diametro dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), situato a San Basilio, in Sardegna.

strumento MISTRAL Sardinia Radio Telescope SRT
L’installazione conclude una attività di quattro anni di lavoro intensissimo del team G31 del Dipartimento di Fisica, guidato da Paolo de Bernardis, responsabile scientifico di MISTRAL in Sapienza.

strumento MISTRAL Sardinia Radio Telescope SRT

“Il cuore di MISTRAL è una matrice di 415 rivelatori a induttanza cinetica, realizzata da una collaborazione tra Sapienza e CNR-IFN di Roma”, commentano Alessandro Paiella, Federico Cacciotti e Giorgio Pettinari, che si sono occupati della progettazione, realizzazione e caratterizzazione dei rivelatori.

“I rivelatori sono illuminati da un sistema ottico costituito da due lenti in silicio e una serie di filtri risonanti – aggiunge Marco De Petris, responsabile dell’ottica di MISTRAL. Questo trasferisce sul mosaico l’immagine del cielo prodotta dal telescopio, ingrandendo e correggendo il suo campo di vista ed eliminando tutte le lunghezze d’onda al di fuori della banda di interesse”.

“I rivelatori sono raffreddati fino a soli 0.2 gradi sopra lo zero assoluto, ovvero a -273 gradi Celsius, da un complesso sistema criogenico, che permette di mantenerli in operazione per tutta la durata  delle osservazioni, eliminando i forti disturbi dovuti all’agitazione termica”, sottolinea Alessandro Coppolecchia, responsabile della criogenia di MISTRAL.

“Oltre alla soddisfazione per aver completato lo sviluppo dell’hardware, c’è grande aspettativa per i risultati scientifici che deriverannodall’uso di MISTRAL. Infatti, grazie alla bassissima temperatura operativa e alla presenza di centinaia di rivelatori che operano simultaneamente, lo strumento risulta essere estremamente efficiente per l’osservazione dettagliata di sorgenti come gli ammassi di galassie”, aggiungono Giuseppe D’Alessandro e Alessandro Novelli che si sono occupati dell’assemblaggio e dell’housekeeping di MISTRAL.

“Quando i fotoni del fondo cosmico a microonde attraversano gli ammassi di galassie, hanno una certa probabilità di interagire con gli elettroni del gas caldo che permea l’intero volume dell’ammasso, e aumentano leggermente la loro energia, accorciando così la loro lunghezza d’onda. Ne segue un deficit di fotoni del fondo cosmico di microonde a lunghezze d’onda superiori a 1.4 mm, e un eccesso di fotoni a lunghezze d’onda inferiori”, sottolinea Giovanni Isopi, che si occupa dell’elettronica di
lettura e dei dati di MISTRAL.

“MISTRAL, alla lunghezza d’onda di 3 mm, misurerà il deficit di fotoni del fondo cosmico a microonde con grande efficienza e dettaglio, osservando in controluce un grande numero di ammassi di galassie e di filamenti di gas tra ammassi – sottolinea Elia Battistelli, Project Manager di MISTRAL. Questo permette di quantificare la struttura e la dinamica del cosmic web, l’intricato intreccio di filamenti di materia che contiene la maggior parte della materia normale e della materia oscura dell’universo”.

“Questa materia è invisibile nelle osservazioni ottiche. Infatti queste possono rivelare solo i fotoni emessi dalle stelle nelle galassie, che costituiscono solo la punta dell’iceberg della struttura a grande scala dell’universo”, aggiungono Francesco Piacentini e Fabio Columbro, che si occupano della lettura e della calibrazione di MISTRAL.

“Per questo – conclude Silvia Masi, instrument scientist di MISTRAL – strumenti come MISTRAL e come OLIMPO, costruito dal team del  Dipartimento di Fisica per osservare l’eccesso di fotoni a lunghezze d’onda brevi lavorando da un pallone stratosferico, e pochi altri al mondo, risultano essenziali per capire come si sono formate le strutture nel nostro universo”.

MISTRAL è stato sviluppato nell’ambito del progetto PON (Programma Operativo Nazionale) Ricerca e Innovazione 2014 – 2020 finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca e ha raggiunto l’obiettivo di potenziare tecnologicamente il Sardinia Radio Telescope (SRT).

Il progetto di potenziamento di SRT è partito il 25 giugno del 2019 e si è concluso il 25 giugno 2023 e ha visto la partecipazione di ricercatori della Sapienza Università di Roma, del CNR-EIIT, dello UK Research and Innovation (UKRI) nel Regno Unito, dell’Università di Manchester sempre nel Regno Unito e del Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) in Corea del Sud.

 

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Biologia

Dall’accoppiamento delle zanzare, nuove strategie per combattere la malaria

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accoppiamento zanzare strategie malaria Sciame
Zanzare: le loro storie d’amore per combattere la malaria 

Dall’accoppiamento delle zanzare, nuove strategie per ridurre la diffusione della pericolosa infezione da malaria. Lo evidenzia uno studio di Cnr-Isc e Sapienza in collaborazione con l’Università degli Studi di Perugia, ora pubblicato su Scientific Reports.

Osservare delle zanzare che si accoppiano può sembrare un’attività particolarmente bizzarra, ma che si sta rivelando essenziale nello sviluppo di nuove strategie di lotta contro la malaria. Le femmine di Anopheles gambiae sono vettori di trasmissione del plasmodio della malaria, che ogni anno è responsabile di centinaia di migliaia di decessi. Le tecniche sviluppate negli ultimi anni per contrastare questa malattia si basano su un principio molto semplice: meno zanzare, meno vettori di trasmissione, meno decessi. L’uso di zanzariere impregnate di insetticidi si è rivelato molto efficace negli ultimi 20 anni. Ma questo non basta. Le zanzare hanno sviluppato resistenze agli insetticidi, per cui, dopo una iniziale riduzione, il numero dei contagi annuali è ora in salita.

L’imperativo scientifico è quindi di identificare nuove strategie, da utilizzare in associazione con i metodi di controllo attualmente in uso. Attraverso un approccio “gene drive”, si cerca di sfruttare l’accoppiamento delle zanzare per diffondere modificazioni genetiche che rendano le zanzare sterili o incapaci di trasmettere il parassita della malaria.

“Per valutare l’efficacia di queste tecniche innovative è necessario conoscere approfonditamente il meccanismo dell’accoppiamento”, spiega la Prof.ssa Roberta Spaccapelo, dell’Università degli Studi di Perugia, “sappiamo che questi insetti si accoppiano in volo e che i maschi si associano in gruppi, sciami di centinaia di individui, per essere più visibili e attrattivi alle femmine. Ma non ne sappiamo molto di più. Sono le femmine che entrano nello sciame a scegliere con quale maschio accoppiarsi? Come avviene la scelta? Ci sono delle caratteristiche che rendono alcuni maschi più attrattivi di altri?”

L’articolo “Characterization of lab-based swarms of Anopheles gambiae mosquitoes using 3D-video tracking” appena pubblicato su Scientific Reports, nato da una collaborazione fortemente interdisciplinare tra il Dipartimento di Medicina e Chirurgia dell’Università degli studi di Perugia, il gruppo CoBBS (Collective Behavior in Biological Systems – www.cobbs.it) del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma e dell’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR, muove i primi passi per cercare di rispondere a questi interrogativi.

“Riprodurre sciami di Anopheles nell’ambiente controllato del laboratorio è stato un compito molto complicato. Abbiamo scelto di studiare questi sciami in gabbie molto grandi, per poter analizzare la dinamica di volo delle zanzare evitando potenziali effetti sul comportamento dovuti allo spazio confinato di gabbie piccole”, dice la Prof.ssa Irene Giardina della Sapienza.

“Abbiamo ripreso sciami di centinaia di zanzare con un sistema stereometrico di telecamere, che ci permette di ricostruire nello spazio tridimensionale le traiettorie di ogni singola zanzara nel gruppo. L’analisi di questi dati ci ha permesso di verificare che gli sciami ricreati in laboratorio hanno caratteristiche compatibili con quelle di sciami osservati in ambiente naturale“, spiega Stefania Melillo, ricercatrice dell’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR. “La novità più importante presentata nell’articolo è che siamo riusciti a documentare vari eventi di accoppiamento: coppie di zanzare che volano insieme per un periodo di tempo che arriva anche a 15 secondi. Ma la cosa più stupefacente è sicuramente aver osservato e  documentato la competizione nell’accoppiamento. Più maschi che competono per accoppiarsi nello stesso momento con la stessa femmina.”

L’articolo rappresenta, quindi, il primo passo verso la comprensione della dinamica di accoppiamento nelle zanzare e costituisce un importante punto di riferimento per la comunità scientifica internazionale, per valutare l’efficacia delle nuove tecnologie per ridurre la popolazione di insetti così pericolosi per l’uomo.

Dall’accoppiamento delle zanzare, nuove strategie per combattere la malaria. Gallery

 

Ulteriori sviluppi di questo studio, sia dal punto di vista sperimentale che modellistico, sono tema del progetto dal titolo: Demystifying mosquito sex: unraveling MOsquito SWARMs with lab-based 3D video tracking (acronimo: MoSwarm), presentato congiuntamente dall’Università di Perugia e il CNR, appena finanziato dal MUR nell’ambito dei progetti PRIN 2022.

 

Riferimenti:

Characterization of lab‐based swarms of Anopheles gambiae mosquitoes using 3D‐video tracking – Andrea Cavagna, Irene Giardina, Michela Anna Gucciardino, Gloria Iacomelli, Max Lombardi, Stefania Melillo, Giulia Monacchia, Leonardo Parisi, Matthew J. Peirce & Roberta Spaccapelo – Scientific Reports https://doi.org/10.1038/s41598-023-34842-0

Testo, video e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Scienze ambientali

Uomo e orso: una convivenza possibile?

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convivenza Orso bruno marsicano - Angelina Iannarelli - PNALM

Uomo e orso: una convivenza possibile?
Un nuovo studio coordinato dalla Sapienza sull’orso bruno marsicano svela le caratteristiche che rendono possibile la coesistenza e le riflessioni per migliorare le azioni future.

 

Orso bruno marsicano - Angelina Iannarelli - PNALM
Uomo e orso: una convivenza possibile? L’esempio positivo dell’orso bruno marsicano nel Parco Nazionale d’Abruzzo Lazio e Molise. Angelina Iannarelli – PNALM

Le comunità locali dell’Appennino centrale coabitano da millenni con una preziosissima quanto unica popolazione di orso bruno marsicano.

Studi precedenti avevano già messo in luce come i residenti del Parco Nazionale d’Abruzzo Lazio e Molise (PNALM), la storica roccaforte di questa particolare specie di orso, mostrino un atteggiamento molto positivo nei confronti del plantigrado e una tolleranza nei suoi confronti che non ha pari, né in Italia né altrove in Europa.

Una nuova ricerca condotta da Sapienza Università di Roma in collaborazione con l’Istituto spagnolo di studi sociali avanzati e con il Parco Nazionale d’Abruzzo Lazio e Molise (PNALM) e pubblicata sulla rivista scientifica Journal for Nature Conservation, ha analizzato gli elementi che rendono possibile la coesistenza funzionale di uomini e orsi per la realizzazione sostenibile delle necessità di entrambe le parti.

L’orso bruno marsicano soffre di scarsissima variabilità genetica ed è soggetto a elevato rischio di estinzione. Per questo motivo è fondamentale ridurre al minimo qualsiasi fonte di impatto con l’uomo, a partire dai livelli di mortalità accidentale e illegale, che sono incompatibili per una così esigua popolazione di orso.

Dall’altra parte ci sono gli interessi dei principali attori sociali come forestali, guardia parco, allevatori e cacciatori e altre categorie che insistono sul territorio.

“La divergenza di vedute – spiega Jenny Anne Glikman, ricercatrice presso dell’Istituto spagnolo di studi sociali svanzati, prima autrice dello studio – aumenta in relazione alla percezione di come i costi e i benefici della coesistenza con l’orso siano distribuiti tra categorie sociali, nonostante tutte sostengono la causa della sua conservazione”.

È proprio su questo fronte, suggeriscono gli autori, che bisogna focalizzare la futura attenzione gestionale.

“Nonostante il Parco abbia una lunga storia alle spalle di interventi per la conservazione dell’orso bruno marsicano – sottolinea Daniela D’Amico, responsabile dell’Ufficio Promozione e Comunicazione del PNALM e coautrice dello studio – quello che ci interessava in modo particolare era capire come migliorare ulteriormente le condizioni di coesistenza tra uomo e orso, alla luce dei cambiamenti sociali ed economici in atto e tenendo conto dei diversi punti di vista delle persone che condividono quotidianamente il territorio con l’orso”.

Tra le implicazioni pratiche dello studio gli autori sottolineano la necessità di ricorrere a forme di collaborazione, pianificazione e condivisione gestionale più strette con i vari portatori di interesse, al fine di promuovere maggiore coinvolgimento e senso di responsabilità sociale.

“In virtù del lunghissimo periodo di coabitazione, dell’elevata tolleranza e dell’atteggiamento positivo nei confronti dell’orso, i tempi sono maturi per promuovere un senso di responsabilità collettiva nei confronti della specie che non può più essere vista come una prerogativa esclusivamente istituzionale e un vincolo per le comunità locali – sottolinea  Paolo Ciucci della Sapienza, coordinatore dello studio – Attraverso i suoi rappresentanti, l’intera comunità deve poter essere coinvolta nella gestione e condividere l’orgoglio e la soddisfazione di una conservazione di successo di una specie localmente considerata di elevato valore. Solo attraverso una responsabilità socialmente condivisa i comportamenti individuali che mettono a rischio l’incolumità dell’orso (velocità eccessive sulle strade, pratiche zootecniche incompatibili, l’uso illegale del veleno) verrebbero considerati moralmente inaccettabili”.

 

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Psicologia e Neuroscienze

Formazione della memoria e sviluppo di comportamenti ansiosi: alla base un meccanismo comune 

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Formazione della memoria e sviluppo di comportamenti ansiosi: alla base un meccanismo comune 

Un nuovo studio coordinato dal Dipartimento di Fisiologia e Farmacologia Vittorio Erspamer della Sapienza ha osservato i meccanismi con cui il sistema immunitario e il sistema nervoso centrale comunicano per regolare importanti funzioni cerebrali come l’apprendimento e i comportamenti ansiosi. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Communications, aprono nuovi scenari per la prevenzione o il trattamento di patologie come il morbo di Alzheimer, patologie psichiatriche o del neurosviluppo.

Un nuovo studio coordinato dal Dipartimento di Fisiologia e Farmacologia Vittorio Erspamer della Sapienza ha indagato i meccanismi con cui il sistema immunitario e il sistema nervoso comunicano per regolare importanti funzioni cerebrali come l’apprendimento e come questa comunicazione sia importante per modulare i comportamenti ansiosi.

Utilizzando un modello sperimentale animale, il gruppo di ricerca guidato da Cristina Limatola ha scoperto che alcune popolazioni di cellule immunitarie risiedono stabilmente nelle meningi cerebrali (nello specifico sono stati caratterizzati i linfociti Natural Killer e le cellule linfoidi innate di tipo 1).

“Abbiamo visto – spiega Limatola – che l’eliminazione selettiva di queste popolazioni cellulari dalle meningi del topo, attraverso la somministrazione di specifici farmaci, modifica alcuni comportamenti legati alla formazione della memoria non spaziale e all’ansia. Abbiamo descritto i meccanismi responsabili di questi effetti, identificando due diverse vie di segnalazione: una mediata dall’interferone gamma e l’altra dall’acetilcolina. Queste due molecole mediano la comunicazione tra cellule neuronali e i livelli di alcuni neurotrasmettitori nel cervello. In particolare, l’interferone-γ è coinvolto nella formazione della memoria non spaziale, modulando la trasmissione di tipo inibitorio a livello della corteccia cerebrale, mentre l’acetilcolina regola i circuiti cerebrali coinvolti nell’ansia”.

I risultati del lavoro, pubblicati sulla rivista Nature Communications, aprono nuovi scenari nello studio delle vie di comunicazione tra sistema immunitario e sistema nervoso centrale. Ma non solo, una conoscenza approfondita dei meccanismi con cui si formano le memorie o si sviluppano comportamenti ansiosi è di fondamentale importanza per la prevenzione o il trattamento di patologie come il morbo di Alzheimer, patologie psichiatriche o del neurosviluppo.

Riferimenti:

Natural killer cells and innate lymphoid cells 1 tune anxiety and memory in mice via interferon-γ and acetylcholine – Stefano Garofalo, Germana Cocozza, Alessandro Mormino, Giovanni Bernardini, Eleonora Russo, Donald Ielpo, Diego Andolina, Rossella Ventura, Katiuscia Martinello, Massimiliano Renzi, Sergio Fucile, Mattia Laffranchi, Eva Piano Mortari, Rita Carsetti, Giuseppe Sciume, Silvano Sozzani, Angela Santoni, Marie-Ève Tremblay, Richard Ransohoff e Cristina Limatola – Nature Communications 2023

Formazione della memoria e sviluppo di comportamenti ansiosi
Formazione della memoria e sviluppo di comportamenti ansiosi: alla base un meccanismo comune. Foto di Sam Williams

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Biologia

Sciami di insetti: gli ingredienti per il volo perfetto

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sciami di insetti

Sciami di insetti: gli ingredienti per il volo perfetto

Abilità di muoversi nello spazio e una buona dose di ‘pigrizia’. Sono le caratteristiche necessarie per mantenere unito il gruppo. Lo evidenzia un nuovo studio sul comportamento collettivo di un sistema biologico, come gli sciami di insetti, pubblicato sulla rivista Nature Physics dal CNR-ISC e dal Dipartimento di fisica della Sapienza Università di Roma.

sciami di insetti
Traiettorie tridimensionali del volo dei moscerini all’interno di uno sciame. Crediti: Gruppo CoBBS

Sciami di moscerini e stormi di uccelli sono esempi comuni di comportamenti collettivi biologici. Sebbene gli organismi che compongono tali gruppi siano molto diversi a livello individuale, spesso i comportamenti dei gruppi hanno caratteristiche simili a livello globale. Per esempio, gli sciami di moscerini, che osserviamo nei parchi, ci appaiono tutti uguali, ma in realtà sono spesso sciami di specie diverse. Sembrerebbe dunque che, nonostante le specificità degli individui che ne fanno parte, solo alcuni ingredienti determinano le proprietà collettive di un gruppo.

Uno studio, pubblicato su Nature Physics dal gruppo CoBBS – Collective Behavior in Biological Systems – composto da ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc) e del Dipartimento di fisica della Sapienza Università di Roma, identifica tali ingredienti grazie ad un approccio teorico mutuato dalla fisica dei sistemi complessi interagenti, permettendo di caratterizzare per la prima volta il comportamento collettivo di un sistema biologico.

“Gli sciami sono sistemi solo apparentemente disordinati e caotici; in realtà, al loro interno, gli insetti si comportano in modo altamente coordinato e fortemente correlato. Alla base di questa coordinazione vi è un meccanismo imitativo: ogni moscerino tende a voler imitare il comportamento dei propri vicini”, spiega Stefania Melillo, ricercatrice Cnr-Isc e afferente al gruppo CoBBS. “Sotto questo punto di vista, sciami di insetti e sistemi fisici come i magneti sembrano estremamente simili: in ambedue i casi gli agenti – atomi o animali che siano – provano ad allinearsi gli uni agli altri. Nei magneti questo allineamento permette di generare un campo magnetico stabile, nel caso degli animali invece l’allineamento permette al gruppo intero di coordinarsi anche a grandi distanze”.

Setup sperimentale per l’acquisizione dei dati in vivo sul moto degli sciami di insetti. Crediti: Gruppo CoBBS

Nel nuovo studio, i ricercatori del gruppo CoBBS introducono un modello che combina la capacità degli insetti di allineare la loro velocità a due nuovi ingredienti che derivano da osservazioni sperimentali precedentemente condotte.

“Il primo ingrediente, il più intuitivo e ovvio, è l’abilità degli individui di muoversi nello spazio, che in fisica è chiamata ‘attività’; al contrario dei ferromagneti, gli insetti non sono fermi su un reticolo ma sono liberi di muoversi spinti dalla loro velocità”, afferma Mattia Scandolo del Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma. “Il secondo ingrediente è invece quella che viene detta ‘inerzia comportamentale’: questa rappresenta la resistenza degli insetti nel modificare il loro comportamento, una sorta di ‘pigrizia’ che porta i singoli moscerini a non allinearsi istantaneamente al comportamento dei vicini”.

Lo studio rivela che la combinazione di questi due ingredienti aggiuntivi, attività e inerzia, spiega in modo accurato la dinamica dei comportamenti collettivi che emergono negli sciami di moscerini, indipendentemente dalla specie in questione, facendo chiarezza sui meccanismi messi in atto.

L’innovazione della ricerca, tuttavia, sta non solo nei risultati, ma anche nel metodo usato. È infatti la prima volta che un approccio mutuato dalla fisica dei sistemi interagenti predice i comportamenti collettivi di un sistema biologico con tale accuratezza.

“L’idea di fondo di questo approccio, noto come ‘gruppo di rinormalizzazione’, è simile a quanto accade nell’occhio umano, che vede i dettagli di un oggetto sfocarsi man mano che questo si allontana; così nell’ambito della fisica teorica è possibile ‘sfocare’ i dettagli di un sistema fisico, permettendo, al contempo, di apprezzare appieno le caratteristiche collettive su scala macroscopica”, prosegue Scandolo.

Il successo nell’applicazione di uno strumento così sofisticato, come il ‘gruppo di rinormalizzazione’, suggerisce come, anche nei sistemi biologici, un ruolo decisivo può essere giocato dalla “universalità”.

“Qualsiasi sistema che condivide con gli sciami di insetti le stesse caratteristiche generali esibirà comportamenti simili a quelli ora studiati”, conclude Melillo. “Non è stato, infatti, necessario un modello che descrivesse le interazioni biologiche tra gli insetti nel minimo dettaglio, ma è bastato individuare i pochi ingredienti fondamentali per comprendere i comportamenti collettivi negli sciami di insetti”.

Riferimenti:

Natural swarms in 3.99 dimensions – Andrea Cavagna, Luca Di Carlo, Irene Giardina, Tomàas S. Grigera, Stefania Melillo, Leonardo Parisi, Giulia Pisegna & Mattia Scandolo – Nature Physics (2023) https://www.nature.com/articles/s41567-023-02028-0

 

Testo, video e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Psicologia e Neuroscienze

Neuroscienze sociali e neuroimmagini mostrano meccanismi cerebrali delle scelte morali

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neuroscienze sociali e neuroimmagini insieme per mostrare i meccanismi cerebrali delle scelte morali

Dire la verità o mentire a proprio vantaggio: neuroscienze sociali e neuroimmagini insieme per mostrare i meccanismi cerebrali delle scelte morali
Uno studio condotto presso la Fondazione Santa Lucia IRCCS in collaborazione Sapienza Università di Roma ha approfondito le reazioni del cervello alle scelte morali: non tutti si comportano allo stesso modo.

Pinocchio neuroscienze sociali e neuroimmagini insieme per mostrare i meccanismi cerebrali delle scelte morali
Dire la verità o mentire a proprio vantaggio: neuroscienze sociali e neuroimmagini insieme per mostrare i meccanismi cerebrali delle scelte morali. Foto di Roland Schwerdhöfer

Un nuovo studio condotto presso il Laboratorio di Neuroscienze Sociali e Cognitive della Fondazione Santa Lucia IRCCS in collaborazione con il Dipartimento di Psicologia di Sapienza Università di Roma e con il Laboratorio di Neuroimmagini della Fondazione Santa Lucia IRCCS ha rivelato che le scelte disoneste adottate durante le interazioni sociali coinvolgono determinate aree del cervello, rilevabili attraverso la tecnica della Risonanza Magnetica Funzionale.

Attraverso questa tecnica è stato possibile anche individuare le differenze nell’attivazione cerebrale quando i partecipanti decidevano se mentire o no mentre la loro reputazione poteva essere a rischio.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Communications Biology, ha coinvolto 34 persone sane tra i 20 e i 46 anni, e ha utilizzato un semplice gioco associato alla possibilità di guadagnare un premio in denaro con la risonanza magnetica funzionale, una tecnologia non invasiva che analizza l’attività cerebrale in tempo reale misurando l’afflusso di sangue nelle varie aree del cervello.

Il gioco di carte prevedeva l’interazione tra due giocatori: il giocatore fuori dalla risonanza magnetica doveva tentare di pescare la carta vincente tra due possibili senza poter verificare il risultato della sua scelta. Il partecipante all’interno della risonanza magnetica aveva invece il compito di osservare e comunicare l’esito del gioco. Poteva quindi decidere se dire la verità o mentire cambiare l’esito del gioco (ad esempio vincendo la partita quando avrebbe dovuto vincere l’altro- compiendo una bugia egoistica).

Il partecipante nella risonanza magnetica era consapevole del fatto che in metà dei casi il compagno di gioco non avrebbe potuto sapere se avesse mentito oppure no (reputazione non a rischio), mentre nell’altra metà avrebbe potuto aver contezza di eventuali menzogne (reputazione a rischio).

“I risultati della ricerca”, commentano Valerio Santangelo e Lennie Dupont, ricercatori del laboratorio di neuroimmagini della Fondazione Santa Lucia IRCCS “mostrano che le decisioni disoneste sono associate ad un aumento dell’attività in un circuito cortico-sottocorticale che include il cingolato anteriore bilaterale (ACC), l’insula anteriore (AI), il dorsolaterale prefrontale sinistro, l’area motoria supplementare e il nucleo caudato destro.”

Come previsto, le persone tendono a diminuire il numero di bugie egoistiche durante la condizione in cui la loro reputazione è a rischio. Grazie alle neuroimmagini è stato possibile evidenziare che le bugie egoistiche durante la condizione di reputazione a rischio erano collegate all’aumento di connettività tra la corteccia cingolata anteriore bilaterale e l’insula anteriore sinistra, due regioni cerebrali che sono fortemente implicate nell’elaborazione emotiva e nel controllo cognitivo.

Il gruppo di ricerca ha inoltre dimostrato che questa attivazione cerebrale non è la stessa per tutti i partecipanti, ma varia in base ai tratti di personalità.

Maria Serena Panasiti, neuroscienziata clinica coinvolta nello studio e vincitrice di un progetto “Giovani Ricercatori” del Ministero della Salute sulle implicazioni cliniche delle decisioni morali, afferma:

“In particolare, gli individui più manipolativi mostrano un coinvolgimento minore del cingolato anteriore durante le menzogne a proprio vantaggio, ma un coinvolgimento maggiore durante la verità a vantaggio degli altri. Questo evidenzia la necessità di un controllo cognitivo solo quando la decisione contrasta con i propri scopi, in questo caso quello di manipolare gli altri a proprio vantaggio.

Salvatore Maria Aglioti, coordinatore dello studio, ha commentato:

“La nostra ricerca fornisce importanti informazioni sulle basi neurali delle decisioni disoneste durante le interazioni sociali. La comprensione di questi meccanismi potrebbe aiutare a sviluppare strategie per promuovere comportamenti più etici e responsabili in diversi contesti sociali”.

Riferimenti:

Reputation risk during dishonest social decision-making modulates anterior insular and cingulate cortex activity and connectivity – L Dupont, V Santangelo, RT Azevedo, MS Panasiti, SM Aglioti – Communications Biology 2023 https://doi.org/10.1038/s42003-023-04827-w

 

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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