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

Milano

Tecniche di imaging tomografico non

distruttivo in medicina rigenerativa

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

Modello

tessuto

Progettazione

scaffold

Produzione

scaffold

Monitoraggio

tessuto

Imaging 3D

non

distruttivo

• Modello anatomico geometria, morfologia,

ricostruzione 3d

• Modello fisico/chimico densità, elasticità

• Modello fisiologico perfusione, metabolismo,

concentrazione molecolare

Creazione modello della struttura da

rigenerare

Approccio multiscala

Misure in vivo di ausilio a modelli computazionali

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

- 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

Monitoraggio delle proprietà del tessuto

Tecniche di acquisizione

• ottiche (tomografia OCT)

• tomografiche convenzionali/microtomografi (CT, MRI, PET)

Tecniche di elaborazione

Tecniche di imaging nell’ingegneria tissutale

Conoscenze metodologiche specifiche interazione tra discipline diverse

• 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)

• CT morfologia/struttura

• MRI morfologia/struttura, funzione

• PET/SPECT funzione

Tecniche di acquisizione tomografica

microCT

T1 MRI dMRI

SPECT/CT

Tecniche di acquisizione tomografica

Appel, Biomaterials, 34: 6615-6630, 2013

Tomografia a raggi X (CT)

I(z)=I0 e-μz

CT, mCT Coefficiente di attenuazione del

tessuto (Unità Hounsfield)

Peripheral

Quantitative CT

(pQCT)

Densità del tessuto ( mg/cm3)

Imaging quantitativo

Legge di Lambert-Beer

Tomografia a raggi X (CT)

Tessuto Valore di

attenuazione (HU)

Aria -1000

Polmone -200 ÷ -500

Grasso -50 ÷ -100

Acqua 0

Materia bianca 20 ÷ 30

Materia grigia 37 ÷ 45

Muscolo 25 ÷ 40

Sangue 40

Osso trabecolare 400

Osso corticale 1000

Metallo 3000

Tomografia a raggi X (CT)

Caratteristiche dei tomografi

TC pQCT μCT

Risoluzione

transassiale 1-2 mm 80-200 μm

1-20 μm in vitro

10-100 μm in vivo

Spessore

della sezione 1-3 mm 100-200 μm

1-20 μm in vitro

10-100 μm in vivo

FOV 10-50 cm 5-15 cm 1-5 cm

Tempi di

acquisizione 0.5 s/sezione 0.5-30s/sezione 5-30 s/sezione

Nano CT < 1mm

• 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

Tomografia a raggi X (CT)

Applicazioni:

Imaging CT per caratterizzazione osso

Caratterizzazione morfo-strutturale del campione osseo

Separazione automatica regioni

corticale, trabecolare e di transizione

(operazioni morfologiche)

• 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

Calcolo automatico indici

morfostrutturali

Rizzo, Annals Biomed Eng, 39: 172-184, 2011

Rubinacci, Osteop Int, 23: 1967-1975, 2012

Imaging CT per caratterizzazione osso

Ricostruzione 3D di microarchitettura

pQCT (100 mm) mCT (34 mm)

Gauthier, Biomaterials, 26: 5444-5453, 2005 Rizzo, Proceedings of IEEE-EMBS 30th

Annual Conference, 2008

Imaging CT per caratterizzazione scaffold

Materiali: Schiuma, nanofibre, tessile,ceramica

No metalli (artefatto)

Cancedda, Biomaterials, 28: 2505-2524, 2007 Guldberg, Biomaterials,

29: 3757-3761, 2008

Imaging CT per caratterizzazione scaffold

Analisi quantitativa 3D delle proprietà dello scaffold

Larghezza e forma pori

Interconnettività

Rapporto area/volume

Spessore medio di parete

Cross-sectional area

Anisotropia

Microarchitettura

Proprietà biologiche

Proprietà meccaniche

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

Scaffold compositi (vetro bioattivo e matrice polimerica composta da chitosano e

gelatina). Risoluzione pixel pari a 8.7 μm

A

Ricostruzione 3D

Scaffold polimerico (gelatina reticolata con genipina)

Risoluzione pixel pari a 0.6μm

Ricostruzione 3D di

un poro

Courtesy of Pennella, Morbiducci et al., Politecnico di Torino

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

Monitoraggio crescita tessuto osseo su

scaffold

Visualizzazione 3d e analisi 3d quantitativa con segmentazione

multisoglia quantificazione volume e attenuazione/densità

Variazioni densità nel tempo

Modello cinetico crescita ossea e degrado scaffold

Jones, Biomaterials, 28: 2491-2504, 2007

Papadimitropoulos, Biotechnology and

bioengineering, 98: 271-281, 2007

Studio vascolarizzazione tessuto

Mezzo di contrasto (Microfil, BaSO4)

Proprietà studiate: Volume

Spessore e numero

Connettività (rete)

Grado anisotropia

Artefatti: Leakage

Volume parziale Guldberg, Biomaterials, 29: 3757-3761, 2008

Monitoraggio crescita cartilagine

Mezzo di contrasto ionico

mCT ad alta risoluzione

Kerckhofs, European Cells and Materials, 25: 179-189, 2013

Tomografia a Risonanza Magnetica

(Protoni) MRI

Interazione RF

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

protoni idrogeno tessuto immerso in

campo magnetico

T1 T2 r

Crema, Radiographics, 31: 37-62, 2011

MRI in ingegneria dei tessuti

Contrasti MRI endogeni (T1, T2, r)

Tessuti T1[ms] T2[ms]

Grasso 192 108

Fegato 397 96

Pancreas 572 189

Tiroide 605 102

Muscolo scheletrico 629 45

Muscolo cardiaco 644 75

Sostanza bianca 687 107

Sostanza grigia 825 110

Polmone 756 139

Milza 760 140

Rene 765 124

Sangue 893 362

Liquor ~1500 ~1500

Acqua ~3400 ~3400

Agenti di contrasto (SPIONs, GdDTPA, …)

Figura modificata da Nessi, Schering, 2000

Fazio e Valli, Patron Editore,1999

Tecnica acquisizione Proprietà del

tessuto Applicazione

Anatomica

(T1, T2, ρ)

Contenuto d’acqua Anatomia e struttura,

concentrazione minerale

Diffusione

(Coeff. Diff)

Diffusività molecole

acqua

Valutaz. anisotropia

tessuto, porosità

Trasferimento

magnetizzazione

(T1ρ, MT)

Eterogeneità

Valutaz. concentrazione

macromolecolare

Shift chimico

(Dn)

Composizione chimica

Valutaz. concentrazioni

molecolari,

studio o soppressione

tessuto adiposo

Elastografia Proprietà meccaniche

Valutaz

elasticità/rigidezza,

viscosità

MRI in ingegneria dei tessuti

MRI in ingegneria dei tessuti

Caratteristiche immagini MRI

dipendono da scanner e

da sequenza di acquisizione

Scanner ad alto campo (3T-11T)

Alti gradienti di campo 20-500 mm

differenti per i

vari contrasti

Risoluzione spaziale immagine

Migliore risoluzione:

FOV=1cm; Tempi di acquisizione=10 h

FOV + ampio, tempi + brevi peggiore risoluzione

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)

Caratterizzazione MRI del tessuto osseo

Monitoraggio multiparametrico processo

di osteogenesi

Week0 Week1 Week2 Week3 Week4

Xu, Physics in Medicine and Biology, 51: 719-732, 2006

Caratterizzazione MRI della cartilagine

Monitoraggio multiparametrico

MRI

Kotecha, Tissue Engineering: Part B, 19: 1-15, 2013

Xu, J Biosci Bioeng, 106: 515-527, 2008

Uso combinato microCT e MRI

Modello del disco intervertebrale

T2-w

NP= nucleo polposo

IVD= Disco

InterVertebrale

Bowles, NMR in Biomedicine, 25: 443-451, 2012

Tomografia ad emissione

+

-

511 keV

PositronElectron

511 keV

Annihilation reaction

a) Molecola con isotopo

radioattivo( es. [18F]-FDG)

b) Acquisizione di

distribuzione di

radioattività

c) Ricostruzione di immagini funzionali

Alcuni Traccianti PET

• Metabolismo del glucosio [18F]FDG

• Funzione di membrana [11C]Choline

• Metabolismo amminoacidi [18F]FET / [11C]MET

• Proliferazione [18F]FLT

[18F]FMISO

• Ipossia [18F]FAZA

[64Cu]ATSM

• Apoptosi [18F]Annexin V

• Angiogenesi [18F]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

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

• Monitoraggio crescita tissutale in vivo (piccoli

animali) • distribuzione fattori di crescita in tessuto osseo

• neovascolarizzazione del tessuto

• attività metabolica di cellule impiantate (retention)

18FDG-PET

18FDG-PET/ 99Tc MDP-SPECT

PET/SPECT in ingegneria tissutale

Terrovitis, J Am Coll Cardiol, 54: 1619-1626, 2009

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