Come si trasformano i tessuti biologici?

Titolo del progetto di ricerca

Multiscale Mathematical Modelling and Numerics of Growth and Structural Adaptation of Soft Biological Tissues and Tumour Masses. A Synergetic Approach Encompassing Electro-Chemo-Mechanical Phenomena.

Area disciplinare

Fisica Matematica, Modelli matematici per la biologia

Coordinatore

Alfio Grillo

Abstract 

Lo scopo del progetto è descrivere come i tessuti biologici si trasformano a seguito di traumi o patologie, e impiegare le conoscenze acquisite per supportare nuovi protocolli di rigenerazione tissutale. A tal fine occorre comprendere e controllare gli stimoli che innescano l'evoluzione dei tessuti.

Descrizione del progetto di ricerca 

I tessuti biologici sono essenzialmente costituiti da cellule, componenti intercellulari, collagene, ioni, e fluido interstiziale. A seguito di interazioni chimiche, elettriche e meccaniche, un tessuto risponde agli stimoli dell'ambiente circostante deformandosi, variando la propria massa e riorganizzando la propria struttura interna. Tali trasformazioni influenzano i processi che avvengono tra le cellule, e avviano l'evoluzione delle proprietà macroscopiche del tessuto stesso (quali la permeabilità e l'elasticità) manifestandosi in vari modi (quali la riorientazione delle fibre di collagene e la variazione delle proprietà di adesione nel caso di aggregati cellulari). La storia di un tessuto, quindi, comprende interazioni tra diversi livelli di osservazione, ciascuna delle quali è associata a scale caratteristiche di tempi e lunghezze. Il progetto è stato dedicato a fornire un approccio sinergico alle trasformazioni strutturali dei tessuti, risolvendo le interazioni che stanno alla base di tali trasformazioni sui livelli di osservazione più rilevanti. Tale ricerca ha arricchito la comunità scientifica attraverso lo studio di problemi interdisciplinari, che richiedono competenze biologiche, modellazione matematica, algoritmi computazionali e sviluppo di software. Il principale risultato atteso è stabilire protocolli capaci di attivare, attraverso opportuni stimoli, le trasformazioni strutturali necessarie per la rigenerazione di tessuti malati o danneggiati.

Impatto sulla società 

La principale ragione per intraprendere gli studi proposti è legata alla necessità di migliorare la qualità della vita delle persone afflitte da malattie degenerative (quali osteoartrite, tumori e malattie cardiovascolari). Tali studi sono anche motivati da questioni economiche, poiché contribuire a contenere la progressione di alcune patologie ad elevato impatto sociale può alleggerire il sistema sanitario riducendo le spese in farmaci e terapie. Il progetto si è proposto di attirare giovani scienziati ed esperti internazionali verso un forum interdisciplinare che promuova scambi di idee e competenze.

Risultati della ricerca

La ricerca ha permesso di studiare la crescita di un tumore in relazione alle sostanze nutrienti presenti e considerando la sua interazione con l'ambiente circostante, con un'attenzione particolare alla risposta meccanica del tumore stesso. È stato inoltre formulato un modello di organizzazione strutturale di tessuti fibro-rinforzati per comprendere il ruolo del collagene nei tessuti ingegnerizzati, anche in presenza di alcune patologie.

In particolare:

  • creazione di un nuovo filone di ricerca al Politecnico di Torino
  • partecipazione a oltre 20 conferenze internazionali
  • creazione di un nuovo gruppo di ricerca

Gruppo di lavoro 

Al Politecnico di Torino

Alfio Grillo (coordinatore del progetto), Rajandrea Sethi, Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI),

Markus M. Knodel e Melania Carfagna, Dipartimento di Scienze Matematiche "G.L. Lagrange" (DISMA)

Partner internazionali:

Gabriel Wittum, Goethe Center for Scientific Computing, Universität Frankfurt, Frankfurt am Main, Germany

Salvatore Federico, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering and Centre for Bioengineering Education and Research, The University of Calgary, Calgary, AB, Canada.

  • Budget: 128.609
  • Data inizio: 15/12/2015
  • Data fine: 14/12/2017