Engineering mechanobiology: the bacterial exclusively-mechanosensitive ion channel MscL as a future tool for neuronal stimulation technology

The development of novel approaches to stimulate neuronal circuits is crucial to understand the physiology of neuronal networks, and to provide new strategies to treat neurological disorders. Nowadays, chemical, electrical or optical approaches are the main exploited strategies to interrogate and dissect neuronal circuit functions. However, although all these methods have contributed to achieve important insights into neuroscience research field, they all present relevant limitations for their use in in-vivo studies or clinical applications. For example, while chemical stimulation does not require invasive surgical procedures, it is difficult to control the pharmacokinetics and the spatial selectivity of the stimulus; electrical stimulation provides high temporal bandwidth, but it has low spatial resolution and it requires implantation of electrodes; optical stimulation provides subcellular resolution but the low depth penetration in dense tissue still requires the invasive insertion of stimulating probes. Due to all these drawbacks, there is still a strong need to develop new stimulation strategies to remotely activate neuronal circuits as deep as possible. The development of remote stimulation techniques would allow the combination of functional and behavioral studies, and the design of novel and minimally invasive prosthetic approaches. Alternative approaches to circumvent surgical implantation of probes include transcranial electrical, thermal, magnetic, and ultrasound stimulation. Among v these methods, the use of magnetic and ultrasound (US) fields represents the most promising vector to remotely convey information to the brain tissue. Both magnetic and low-intensity US fields provide an efficient mean for delicate and reversible alteration of cells and tissues through the generation of local mechanical perturbations. In this regard, advances in the mechanobiology research field have led to the discovery, design and engineering of cellular transduction pathways to perform stimulation of cellular activity. Furthermore, the use of US pressure fields is attracting considerable interest due to its potential for the development of miniaturized, portable and implantation-free US stimulation devices. The purpose of my PhD research activity was the establishment of a novel neuronal stimulation paradigm adding a cellular selectivity to the US stimulation technology through the selective mechano-sensitization of neuronal cells, in analogy to the well-established optogenetic approach. In order to achieve the above mentioned goal, we propose the cellular overexpression of mechanosensitive (MS) ion channels, which could then be gated upon the application of an US generated pressure field. Therefore, we selected the bacterial large conductance mechanosensitive ion channel (MscL), an exclusively-MS ion channel, as ideal tool to develop a mechanogenetic approach. Indeed, the MscL with its extensive characterization represents a malleable nano-valve that could be further engineered with respect to channel sensitivity, conductance and gating mechanism, in order to obtain the desired biophysical properties to achieve reliable and efficient remote mechanical stimulation of neuronal activity. In the first part of the work, we report the development of an engineered MscL construct, called eMscL, to induce the heterologous expression of the bacterial protein in rodent primary neuronal cultures. Furthermore, we report the structural and functional characterization of neuronal cells expressing the eMscL channel, at both single-cell and network levels, in order to show that the functional expression of the engineered MscL channel induces an effective vi neuronal sensitization to mechanical stimulation, which does not affect the physiological development of the neuronal itself. In the second part of the work, we report the design and development of a water tank-free ultrasound delivery system integrated to a custom inverted fluorescence microscope, which allows the simultaneous US stimulation and monitoring of neuronal network activity at single resolution. Overall, this work represents the first development of a genetically mechanosensitized neuronal in-vitro model. Moreover, the developed US delivery system provides the platform to perform high-throughput and reliable investigation, testing and calibration of the stimulation protocols. In this respect, we propose, and envisage in the near future, the exploitation of the engineered MscL ion channel as a mature tool for novel neuro-technological applications

Progress in atherosclerotic plaque imaging

Cardiovascular diseases are the primary cause of mortality in the industrialized world, and arterial obstruction, triggered by rupture-prone atherosclerotic plaques, lead to myocardial infarction and cerebral stroke. Vulnerable plaques do not necessarily occur with flow-limiting stenosis, thus conventional luminographic assessment of the pathology fails to identify unstable lesions. In this review we discuss the currently available imaging modalities used to investigate morphological features and biological characteristics of the atherosclerotic plaque. The different imaging modalities such as ultrasound, magnetic resonance imaging, computed tomography, nuclear imaging and their intravascular applications are illustrated, highlighting their specific diagnostic potential. Clinically available and upcoming methodologies are also reviewed along with the related challenges in their clinical translation, concerning the specific invasiveness, accuracy and cost-effectiveness of these methods

How I do it: Cochlear Osia 2 System surgery placement

Background: The Cochlear™ Osia® 2 System is an active transcutaneous bone-anchored hearing implant with a newly developed piezoelectric transducer that is fixed to a titanium implant (BI300). Methods: It uses digital piezoelectric stimulation to bypass non-functional areas of the natural hearing system and send sound directly to the cochlea. This device is designed to meet the needs of patients with unilateral and bilateral conductive or mixed hearing loss and single-sided deafness. Conclusion: We show step by step how to place the new active transcutaneous bone conduction implant, Cochlear™ Osia® 2 System, which utilizes a piezoelectric actuator anchored to the mastoid bone through an osseointegrated screw

Pain and Pain Management in Sea Turtle and Herpetological Medicine: State of the Art

In sea turtle rescue and rehabilitative medicine, many of the casualties suffer from occurrences that would be considered painful in other species; therefore, the use of analgesic drugs should be ethically mandatory to manage the pain and avoid its deleterious systemic effects to guarantee a rapid recovery and release. Nonetheless, pain assessment and management are particularly challenging in reptilians and chelonians. The available scientific literature demonstrates that, anatomically, biochemically, and physiologically, the central nervous system of reptiles and chelonians is to be considered functionally comparable to that of mammals albeit less sophisticated; therefore, reptiles can experience not only nociception but also “pain” in its definition of an unpleasant sensory and emotional experience. Hence, despite the necessity of appropriate pain management plans, the available literature on pain assessment and clinical efficacy of analgesic drugs currently in use (prevalently opioids and NSAIDs) is fragmented and suffers from some basic gaps or methodological bias that prevent a correct interpretation of the results. At present, the general understanding of the physiology of reptiles’ pain and the possibility of its reasonable treatment is still in its infancy, considering the enormous amount of information still needed, and the use of analgesic drugs is still anecdotal or dangerously inferred from other specie

Analisi delle variabili emozionali nel rapporto bambino-madre-operatore sanitario attraverso l' uso del baby F.A.C.S. di H. OSTER

2008/2009Sono stati condotti due esperimenti per dimostrare che il neonato è in grado di produrre espressioni facciali discriminabili, coerenti con lo stimolo somministrato e associabili alle espressioni facciali degli adulti. L'originalità di questo lavoro si basa sull'analisi delle espressioni facciali di neonati e lattanti analizzati in tre fasce di età. L'età mediana è stata di gironi 3 (Grupo 1), di giorni 82 /Gruppo 2), di giorni 144 (Gruppo 3). I soggetti sono stati sottoposti a stimolo positivo e stimolo negativo e quindi analizzati attraverso l'utilizzo del Baby FACS di H. Oster (2007). Le primo studio l'obiettivo era verificare la capacità comunicativa dei soggetti nela relazione madre-bambino-estraneo. Si sono volute rilevare, inoltre, le eventuali diversità di risposta emotiva in interazione con la madre e con un estraneo, analizzando la presenza, la durata e l'intensità del sorriso semplice e del sorriso Duchenne, tutto ciò in associazione alla eventuale apertura della bocca, oltre al contatto visivo. Si sono confrontate le risposte espressivo facciali di 205 bambini (105 maschi; 117 primogeniti) sottoposti a stimolo positivo con la madre (durata mediana 3207 frames) e quindi con una persona estranea (durata mediana 3177 frames). Dall'analisi del sorriso semplice è emerso che con l'aumentare dell'età aumentano la numerosità dei bambini che lo attuano (n. 22; 81; 66), la numerosità degli episodi e la durata degli stessi. La numerosità dei bambini che sorride con l'estraneo p maggiore che con la madre nei Gruppi 2 (m=411; e=672) e 3 (m=397; e=441). Nei Gruppi 2 e 3 è significativa anche la numerosità degli episodi prodotti dai maschi con l'estrano (m=292; e=380). La durata di tali episodi è sueriore in interazione con l'estraneo nei Gruppi 2 e 3. L'analisi della numerosità degli episodi in intesità massima ha evidenziato un picco nel livello "medio" dei Gruppi 2 e 3. Nella produzione del sorriso Duchenne del Gruppo 3 i maschi sorridono di più all'estaneo. La numerosità degli episodi è significativa nel Gruppo 2 in favore dell'estraneo e nei maschi sempre con l'estraneo (m=197; e=304). Non ci sono differenze nella durata degli episodi. Relativamente alla intensità massima c'è differenza tra la numerosità degli episodi ininterazione con la persona estranea rispetto a quella con la madre: nel Gruppo 2 c'è differenza tra i tre livelli di intensità analizzati, con un picco nei livelli "medio" e "alto" in interazione con l'estraneo. Relativamente al contatot visivo i bambini dei Gruppi 2 e 3 attuano un maggior numero di episodi con la madre, la durata è però maggiore con la persona estranea. Nel secondo studio, il cui obiettivo era testare diverse tecniche dia nalgesia non farmacologica, è emerso che i bambini (n. 145) che hanno prodotto il pianto durante la somministrazione dello stimolo negativo sono più numerosi nel Gruppo 2 rispetto al 3. Durante lo stimolo negativo la durata dle pianto è stata rilevante in presenza del "clown" (100%). Rispetto alle vairabili testate l'essere tenuto in braccio da parte della pediatra è risultato essere l'analgesia non farmacologica più efficace. Dall'analisi dell'intensità del pianto, è emerso che ci sono differenze significative all'interno del Gruppo 2 nella variabile "fasciatoio" e nella variabile "madre sensoriale" entrambi nel livello "alto" rispetto ai livelli "basso" e "medio". Relativamente al Gruppo 3, nell'aalisi con i criteri sopra descritti, si è rilevata una differenza significativa nella variabile "fasciatoio" con un incremento dell'intensità nel livello "basso". I risltati mostrano che fin dai primissimi giorni di vita i bambini sono capaci di produrre espressioni facciali distinte che comunicano il loro stato interno. Hanno la capacità di riconoscere il volto di una persona estranea rispetto al volto della madre. Complessivamente questa ricerca ha dimostrato che con la crescita intervengono minimi fattori di modificazione delle espressioni facciali di sorriso e di pianto e che c'è stabilità nela produzione delle espressioni facciali derivanti da uno stimolo negativo, che induce il bambino al pianto, e da uno stimolo positivo, che invece lo induce al sorriso. Tale stabilità permane fino ai 5 mesi di età.XXI Cicl