Tecniche di imaging tomografico non
distruttivo in medicina rigenerativa
Rizzo G, Spinelli A., Scalco E.
IBFM-CNR, Istituto Scientifico San Raffaele
Milano
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
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
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
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
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
Tecniche di acquisizione tomografica
• CT morfologia/struttura
microCT
• MRI morfologia/struttura, funzione
T1 MRI
dMRI
• PET/SPECT funzione
SPECT/CT
Tecniche di acquisizione tomografica
Appel, Biomaterials, 34: 6615-6630, 2013
Tomografia a raggi X (CT)
Legge di Lambert-Beer
I(z)=I0 e-μz
CT, mCT
Peripheral
Quantitative CT
(pQCT)
Coefficiente di attenuazione del
tessuto (Unità Hounsfield)
Densità del tessuto ( mg/cm3)
Imaging quantitativo
Tomografia a raggi X (CT)
Tessuto
Aria
Valore di
attenuazione (HU)
-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
Risoluzione
transassiale
Spessore
della sezione
FOV
Tempi di
acquisizione
1-2 mm
pQCT
80-200 μm
μCT
1-20 μm in vitro
10-100 μm in vivo
1-20 μm in vitro
1-3 mm
100-200 μm
10-50 cm
5-15 cm
10-100 μm in vivo
1-5 cm
0.5 s/sezione
0.5-30s/sezione
5-30 s/sezione
Nano CT < 1mm
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
Imaging CT per caratterizzazione osso
Caratterizzazione morfo-strutturale del campione osseo
Separazione automatica regioni
corticale, trabecolare e di transizione
(operazioni morfologiche)
Rizzo, Annals Biomed Eng, 39: 172-184, 2011
Rubinacci, Osteop Int, 23: 1967-1975, 2012
Calcolo automatico indici
morfostrutturali
• 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
Imaging CT per caratterizzazione osso
Ricostruzione 3D di microarchitettura
Rizzo, Proceedings of IEEE-EMBS 30th
Annual Conference, 2008
pQCT (100 mm)
Gauthier, Biomaterials, 26: 5444-5453, 2005
mCT (34 mm)
Imaging CT per caratterizzazione scaffold
Materiali: Schiuma, nanofibre, tessile,ceramica
Guldberg, Biomaterials,
29: 3757-3761, 2008
No metalli (artefatto)
Cancedda, Biomaterials, 28: 2505-2524, 2007
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
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
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
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
Jones, Biomaterials, 28: 2491-2504, 2007
Variazioni densità nel tempo
Modello cinetico crescita ossea e degrado scaffold
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
protoni idrogeno tessuto immerso in
campo magnetico
Interazione RF
Segnale RF emesso dipende da:
Densità protonica
r
Tempo di rilassamento Spin-reticolo T1
Tempo di rilassamento Spin-Spin T2
T1
T2
Stato fisico e
variazione magnetizzazione
molecole d’acqua del tessuto
r
Crema, Radiographics, 31: 37-62, 2011
MRI in ingegneria dei tessuti
Contrasti MRI endogeni (T1, T2, r)
Tessuti
Grasso
T1[ms]
192
T2[ms]
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
Figura modificata da Nessi, Schering, 2000
Fazio e Valli, Patron Editore,1999
Agenti di contrasto (SPIONs, GdDTPA, …)
MRI in ingegneria dei tessuti
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
Composizione chimica
Valutaz. concentrazioni
molecolari,
studio o soppressione
tessuto adiposo
Proprietà meccaniche
Valutaz
elasticità/rigidezza,
viscosità
Tecnica acquisizione
Shift chimico
(Dn)
Elastografia
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
20-500 mm
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
Xu, J Biosci Bioeng, 106: 515-527, 2008
Kotecha, Tissue Engineering: Part B, 19: 1-15, 2013
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
a) Molecola con isotopo
c) Ricostruzione di immagini funzionali
radioattivo( es. [18F]-FDG)
b) Acquisizione di
distribuzione di
radioattività
Annihilation reaction
511 keV
+
Positron
Electron
-
511 keV
Alcuni Traccianti PET
•
•
Metabolismo del glucosio
Funzione di membrana
[18F]FDG
[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
