Dottorato in MODELLI MATEMATICI PER L'INGEGNERIA, ELETTROMAGNETISMO E
NANOSCIENZE

Titolo della tesi: Integrated applications of MRI, 1H-MRS, DWI and Relaxometry in preclinical disease models: a multimodal characterization from preclinical models towards a translational understanding

Applicazioni integrate di MRI, 1H-MRS, DWI e Rilassometria nei modelli di malattia preclinica: una caratterizzazione multimodale dai modelli preclinici verso una comprensione traslazionale La presente tesi di dottorato esplora l’applicazione integrata di tecniche basate sulla Risonanza Magnetica—Magnetic Resonance Imaging (MRI), Spettroscopia di Risonanza Magnetica Protonica (¹H-MRS), Diffusion Weighted Imaging (DWI) e Rilassometria—in modelli preclinici di invecchiamento sano, di patologie neurodegenerative, psichiatriche ed oncologiche. L’obiettivo principale è fornire una caratterizzazione multimodale in vivo dei processi patologici e rafforzare il collegamento traslazionale tra ricerca preclinica e applicazione clinica. La tesi è articolata in due sezioni complementari. La Sezione I è dedicata agli studi sperimentali condotti in modelli animali mediante protocolli multimodali avanzati di Risonanza Magnetica (RM). La Sezione II offre una prospettiva traslazionale attraverso revisioni critiche della letteratura clinica, evidenziando il potenziale diagnostico e prognostico delle tecniche di RM in ambito umano. La Sezione I si apre con un inquadramento teorico e metodologico che descrive i principi fisici della Risonanza Magnetica, i parametri di acquisizione, l’ottimizzazione delle sequenze, i protocolli anestesiologici e le pipeline di analisi dei dati, specificamente adattati a sistemi preclinici ad alto campo (7T). L’MRI è una metodica non invasiva che utilizza campi magnetici e radiofrequenze per valutare la morfologia cerebrale, evidenziando atrofie corticali o sottocorticali e l’eventuale allargamento dei ventricoli; in ambito oncologico, consente di monitorare longitudinalmente la crescita tumorale e di valutare la risposta al trattamento nel tempo. La MRS consente di quantificare metaboliti, ad esempio, come N-acetilaspartato, colina e mioinositolo, fornendo informazioni sul danno neuronale, sulla proliferazione cellulare o sulla gliosi. La DWI permette di analizzare parametri quantitativi come FA (Fractional Anisotropy) e MD (Mean Diffusivity), utili per studiare l’integrità della sostanza bianca. La Rilassometria misura in modo quantitativo i tempi di rilassamento, come il T2, contribuendo alla caratterizzazione tissutale e alla valutazione di alterazioni microstrutturali. L’approccio multimodale adottato integra informazioni anatomiche, metaboliche, microstrutturali e altri parametri quantitativi caratterizzanti le proprietà dei tessuti, nel rispetto dei principi etici delle 3R (Replacement, Reduction, Refinement), attraverso uno studio integrato, non invasivo, in vivo e longitudinale. Gli studi sperimentali affrontano condizioni patologiche e obiettivi interconnessi: caratterizzazione di un modello preclinico di malattia, valutazione di potenziali biomarcatori diagnostici o di risposta al trattamento (farmacologico o non farmacologico), studio di fattori di rischio o di prevenzione nell’insorgenza e nella progressione di malattie legate all’invecchiamento. Nello specifico, nei modelli di Early-Life Stress (ELS), l’applicazione di MRI ha evidenziato alterazioni morfologiche dell’ipofisi, suggerendo come eventi di stress precoci possano programmare effetti neurobiologici a lungo termine. Nella modulazione delle vie di segnalazione delle Rho-GTPasi, gli effetti di trattamenti farmacologici (Fasudil e CNF1) sono stati valutati in topi di 5 e 19 mesi, mostrando un ruolo età-dipendente di tali proteine nella microstruttura e nei profili metabolici. Il ruolo dello stress ossidativo è stato indagato mediante modelli transgenici con sovraespressione del gene MTH1, evidenziando, attraverso tecniche di diffusione, alterazioni microstrutturali acute e croniche indotte da paraquat e meccanismi di neuroprotezione. In ambito psichiatrico, il modello di Stress Cronico Lieve (CMS) nei ratti Wistar-Kyoto ha permesso di caratterizzare correlati morfologici, microstrutturali e metabolici della depressione resistente al trattamento. L’efficacia della stimolazione magnetica transcranica ripetitiva accelerata (arTMS) è stata monitorata longitudinalmente mediante biomarcatori di imaging, dimostrando il valore delle tecniche MR nel monitoraggio terapeutico. Nel campo oncologico, due modelli di carcinoma mammario triplo negativo—uno immunocompetente e uno immunodepresso—sono stati studiati con approccio multimodale per valutare la risposta a metformina, D609 e alla loro combinazione. I parametri strutturali, diffusivi e metabolici sono studiati come possibili indicatori quantitativi della progressione tumorale, dell’efficacia terapeutica e per lo studio della risposta del sistema immunitario. Inoltre, è trattato il contributo nel progetto CoMP-MRS, volto alla standardizzazione di protocolli preclinici di ¹H-MRS al fine di ottimizzare le acquisizioni in ippocampo e striato di topo e ratto, consentendo di ottenere dati metabolici sempre più robusti, affidabili e migliorando riproducibilità e trasferibilità tra laboratori. Il miglioramento dei protocolli di RM in ambito preclinico consente di aumentare il potenziale applicativo della metodica e di superare diversi limiti tecnici e biologici, quali i lunghi tempi di acquisizione, gli artefatti da movimento, gli effetti dell’anestesia nei modelli animali, la sovrapposizione spettrale nella MRS e la mancanza di protocolli standardizzati e riproducibili. La Sezione II amplia la prospettiva alla pratica clinica, sottolineando il ruolo centrale della RM come strumento diagnostico multimodale e non invasivo, soprattutto nell’ambito delle demenze. In questo ambito, spesso, si ha una sovrapposizione di sintomi e le alterazioni osservabili con risonanza magnetica compaiono prima della comparsa dei sintomi. L’integrazione di MRI strutturale, DTI e MRS si dimostra cruciale per la diagnosi precoce della Malattia di Alzheimer e del Mild Cognitive Impairment (MCI), oltre che per la diagnosi differenziale con la Malattia di Parkinson. I risultati complessivi evidenziano che un approccio integrato e multimodale basato sulla risonanza magnetica rappresenta uno strumento potente per la caratterizzazione in vivo di meccanismi patologici, nello sviluppo e nella validazione di biomarcatori traslazionali, contribuendo al passaggio dei risultati sperimentali verso applicazioni cliniche concrete. L’integrazione di parametri anatomici, metabolici, microstrutturali consente una comprensione più completa delle malattie e rafforza il collegamento tra ricerca preclinica e applicazione clinica, con prospettive concrete verso una medicina sempre più personalizzata.