Biomedical Engineering - Bioelettromagnetismo e Strumentazione Biomedica

MOOC 2022/2023

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1. STIMOLAZIONE MAGNETICA DEL SISTEMA NERVOSO Video 1: Transcranial Magnetic Stimualtion ( TMS): What is it and how does it work? È un trattamento per la depressione approvato dall’FDA, è stato usato con successo nel trattamento di ansia e di PTSD (disturbo da stress post traumatico) ; la ricerca mostra anche risultati con persone soggetto all’abuso di sostanze stupefacenti o con disordini come Asperger, autismo , bipolarismo. Video 2: Transcranial Magnetic Stimulation: A new Treatment Approach for Psychiatric Disorders La Stimolazione Magn etica Transcraniale è una terapia basata sulla neuro modulazione , sicura e non invasiva che cambia eccitabilità e l’attività dei neuroni. La TMS si basa sul principio di Faraday dell’induzione elettromagnetica: una corrente elettrica che fluisce in una bob ina induce un campo magnetico perpendicolare alla corrente, il campo magnetico si espande finché non raggiunge un altro materiale conduttivo e induce una corrente elettrica su quel materiale. Quindi una TMS è una bobina di rame coperta da un rivestimento p rotettivo collegata a un generatore di corrente che genera una corrente che varia nel tempo. Quindi la bobina viene messa sulla testa la corrente genera un campo magnetico diretto verso la testa e questo passa attraverso la pelle, l’osso , il liquido spinale fino a incontrare un altro materiale conduttivo che sono i nostri neuroni e viene così indotta una scarica neuronale. I neuroni sono connessi fino a creare delle reti neuronali che lavorano in determinate zone funzionali, come quelle re sponsabili dei disturbi psichiatrici. La TM S permette di cambiare l’attività neuronale di una intera zona funzionale che può essere affetta da disordini psichiatrici. Una volta che abbiamo individuato la zona che vogliamo cambiare si può utilizzare la TMS. La corrente parte dalla parte superficiale della corteccia celebrale e si propaga fino alle zone più profonde. Una volta individuata la zona essa sarà poco o troppo reattiva e cambiando la frequenza si potrà causare una scarica neuronale per eccitare o inibire l’attivazione dei neuroni. L’uso della TMS è stato approvato dall’FDA per gli individui che soffrono di depressione e che hanno già tentato almeno una terapia medica, ci sono anche delle ricerche per disordini ossessivi compulsivi, allucinazioni udit ive dovute alla schizofrenia e altri sintomi della schizofrenia , PTSD … Nei casi di depressione si creano due zone che sono più superficiali poco attive e due zone più profonde che invece sono troppo reattive, le prime vanno stimolate con basse frequenze mentre le seconde con alte frequenze. Durante il trattamento si rimane svegli ed esso non causa restrittività nelle attività, non c’è bisogno di essere accompagnati… il trattamento iniziale prevede 5 sedute a settimana per 6 settimane, poi 2 sedute a setti mana per 3 settimane. Ogni trattamento dura 20 -30 minuti. I sintomi dopo un trattamento sono: mal di testa, svenimenti , perdita dell’udito, crisi, dislocazione o riscal damento di impianti nella testa o nel collo, danneggiamento di device come pacemaker. Ve ri problemi ci sono per chi ha un impianto acustico permanente perché potrebbe riscaldarsi e dare problemi con il campo magnetico poiché contiene delle bobine. Il dosaggio dei trattamenti si basa sulla eccitabilità della corteccia di ogni individuo attrave rso un test motore: si mandano segnali nella parte che contrae la mano e si aumenta l’intensità finché non si contrae la mano. Eccitabilità della corteccia può cambiare con medicinale, alcool, droghe… Per individuare la zona da trattare si può usare un met odo che si basa sul prendere diverse misure del cranio del paziente oppure si può usare il metodo basato sull’immagini, necessita di una MRI o altri esami. I sintomi sono monitorati regolarmente facendo diverse domande ai pazienti. Di solito i pazienti ini ziano a sentire miglioramenti a metà del trattamento, ma ogni caso è personale. Molti pazienti sono attratti da questo trattamento perché può essere svolto senza l’uso di famaci, ma gli studi dimostrano che nel caso della depressione, l’utilizzo di antidep ressivi e di trattamenti TMS danno ottimi risultati. Video 3: Improving the precision and targeting of Transcranial Magnetic Stimulation Limiti della TMS :  non si può controllare il campo stimolato e la penetrazione : attualmente quando si prende una zona in considerazione è una zona ampia e si va poco in profondità quindi la stimolazione non è molto precisa.  C’è grande variabilità tra e sessioni e i risultati attesi, la variabilità dei risultati potrebbe essere causat a dal posizionamento della bobina per questo nelle cliniche spesso si indossa un copricapo dove ci sono dei marker per un uso della bobina ottimale, però possono comunque verificarsi degli errori che causano variazione nella TMS e inducono campi elettrici. Anche nell’uso della TMS per la neuro navigazione ci sono gli stessi problemi che possono essere risolti con l’uso di MRI e braccia robotiche ma questo opzione è molto costosa inoltre non sempre il movimento della bobina causa cambiamenti quindi non i ris ultati non hanno grande valore. Il dottor Luis Gomez ha creato una bobina che è due volte più precisa della precedente e ha trovato un metodo per ottenere risultati più precisi in base al movimento della bobina e anche alla variabilità da paziente a pazien te. Ci sono 16 tipo di bobine classificate in base all’ampiezza della area e alla penetrazione: area più piccola significa una bobina più precisa. C’è stata un’ottimizzazione nella progettazione di bobine TMS che sono più focalizzate, stimolano più in profondità e sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle bobine esistenti. Molte applicazioni TMS richiedono campi elettrici massim amente focalizzati e profondi per impegnare selettivamente i circuiti neurali. Sfortunatamente, i campi elettrici generati dalle attuali bobine TMS si diffondono e decadono rapidamente mentre penetrano nella testa. Di conseguenza, tendono a stimolare regio ni relativamente grandi vicino alla superficie del cervello. Questo lavoro ha sviluppato metodologie di ottimizzazione per la progettazione di bobine TMS per ottenere un compromesso ottimale tra la profondità e la focale del campo elettrico indotto, nonché l'energia richiesta dalle bobine TMS. Queste bobine sono superiori alle bobine TMS esistenti, spesso dimezzando il volume di stimolazione per una data profondità di penetrazione. 2. ELETTROPORAZIONE Video 1 L’elettroporazione è una tecnica basata sull’applicazione di una corrente elettrica ad alta tensione alle cellule per un breve periodo di tempo. Questa corrente positiva crea piccoli canali o micro -pori che si formano sulla membrana attraverso i quali le molecole nell’area circostante possono p assare. Con elettroporazione transdermica o transcutanea le correnti elettriche sono in grado di aprire i pori transitori e reversibili della pelle, questi pori permettono ai prodotti di entrare in profondità nella pelle. Video 2 L’elettroporazione è un me todo fisico di trasfezione e trasformazione cellulare. Utilizza l’elettricità per far penetrare prodotti nelle cellule, questi prodotti possono essere farmici, plasmidi o proteine . Si introduce il farmaco nella zona delle cellule, l’impulso applicato perme tte la creazione di pori che fanno entrare il prodotto nelle cellule, dopo l’impulso i pori si richiudono e il farmaco rimane all’interno delle cellule. Benefici:  è non virale, non tossico e può essere usato su tutti i tipi di cellule: mammiferi, batter i, alghe, piante, funghi  può essere usato sulle cellule in tutte le forme: in vitro o in vivo o ex vivo  non è limitato dalle dimensioni dei plasmidi e l’assorbimento è immediato e non richiede incubazione.  è riproducibile, ad alta efficienza e sempli ce da usare Applicazioni:  liberazione di farmaci o geni  sviluppo di vaccini, per stimolare una migliore risposta immunitaria  clonazione di cellule biologiche  espressione di proteine e batteri Tipiche trasfezioni :  DNA, rNA  antibiotici e proteine  farmaci  altre molecole o ioni Significa che si può analizzare gli effetti dei farmaci, le cure delle malattie, riconoscimento di tipi di cancro, ricostruzione di organi. Video 3 L’elettroporazione è un fenomeno naturale che permette di aumentare la permeabilità della membrana cellulare grazie a impulsi elettrici ad alto voltaggio. L’elettroporazione permette alle molecole di penetrare nella cellula o lasciare la cellula, che in normali circostanze non è possibile fare pe r grandi quantità di molecole. L’elettroporazione può essere usata con successo per migliorare salute, cibo, energia e ambiente. Migliorando l’efficacia di chemioterapie, terapie genetiche processi nutrizionali e processo biotecnologici sono solo alcune de lle possibili applicazioni. 3. NANOPARTICELLE MAGNETICHE Magnetic Targeting and Imaging of Cancer Using MRI and Magnetic Nanoparticles Le nanoparticelle magnetiche possono essere guidate con un sistema MRI. Il progetto prevede di: o Attaccare queste nanoparticelle a cellule e farmaci e di guidarle attraverso MRI fino al tumore. o Una volta nel tumore si potrà ottenere una immagine. o Si cercherà di agitare le particelle in modo tale da distruggere le cellule tumorali. o Per mettere il rilascio di farmici e chemio in zone localizzate.