UNIVERSIT `
A DI PISA
Facolt`
a di Ingegneria
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica
Tesi di Laurea Specialistica
Applicazione della tecnica Secondary Ion
Mass Spectrometry (SIMS) all’analisi di
tessuti biologici
Relatori :
Candidata:
Prof. Vincenzo Positano
Gaia Volandri
Dott. Luca Menichetti
Prof. Luigi Landini
“La scienza di oggi `
e la tecnologia di domani.”
— Edward Teller
Ringraziamenti
Vorrei ringraziare tutti coloro che hanno collaborato alla realizzazione di
questa tesi: Ilaria Marchetti per la disponibilit`
a, Marco Matteucci per le
in-numerevoli foto acquisite, le spiegazioni ed i suggerimenti che mi ha dato, ma
soprattutto i miei relatori, Prof. Ing. Vincenzo Positano, per la disponibilit`
a,
la fiducia, il supporto, l’impegno e tutto il tempo che ha dedicato per questa
tesi, Dott. Luca Menichetti per le spiegazioni, l’incoraggiamento e la
dispo-nibilit`
a e Prof. Luigi Landini per i ricevimenti, i consigli, la disponibilit`
a e
per avermi dato l’opportunit`
a di svolgere questo lavoro.
Abstract
Lo studio, proposto in questa tesi, riguarda l’applicazione della spet-trometria di massa a ioni secondari (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS) all’analisi di tessuti biologici. La SIMS `e una tecnica analitica di microscopia ionica che prevede il bombardamento, parzialmente distrutti-vo, della superficie di un campione, mantenuto in condizioni di alto vuoto, mediante un fascio ionico primario che scansiona, secondo posizioni discrete sequenziali, una determinata area del campione.
L’acquisizione dello spettro di massa prevede il trasferimento di analiti dalla matrice solida del campione alla fase gassosa e la separazione ionica tramite analizzatore di massa sulla base del rapporto massa-carica degli ioni estratti. Dai dati SIMS, oltre allo spettro di massa della matrice di punti ordinati, `e possibile ottenere immagini di distribuzioni relative (e quantitative, previa calibrazione) di specie chimiche, che rappresentano il risultato di un processo di conteggio. La metodica SIMS presenta risolu-zione spaziale dell’ordine del micron (µm), sensibilit`a di parti per milione (ppm, mg/kg) e risoluzione di massa compresa tra centinaia e migliaia di unit`a di massa atomica.
Nell’ambito di questo lavoro di tesi sono state descritte le principali e pi`u recenti applicazioni, in campo medico-biologico, della SIMS, riportate in letteratura. Sono stati descritti metodi di analisi (indicati come indici di caratterizzazione) di distribuzioni spaziali puntiformi, a cui sono assimilate per ipotesi le immagini SIMS.
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E stato sviluppato un modello della formazione di immagini SIMS che prevede un termine correlato alla dispersione causata dall’azione di sput-tering e che risulta pertanto legato alla fisica ed ai settaggi di acquisizione ed al tipo di strumentazione impiegata (indipendente dalla specie chimica considerata), ed un termine correlato alla mobilit`a dell’analita, ad artefatti introdotti in fase di preparazione, alla presenza di contaminanti ambientali e di rumore di altro tipo (pertanto variabile da campione a campione, da analita ad analita).
Il modello `e stato validato tramite studi su immagini di campioni non biologici di riferimento e di campioni sperimentali di tessuto miocardico, acquisite mediante un sistema ToF-SIMS, installato presso il polo univer-sitario di Colle Val d’Elsa (Siena, Italia). Il protocollo sperimentale, fina-lizzato allo studio delle variazioni del microcircolo cardiaco coinvolte nella genesi e nello sviluppo di disfunzioni miocardiche, `e stato sviluppato nel-l’ambito di una collaborazione tra la Scuola S. Anna di Pisa, l’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR (Pisa) ed il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche e dei Biosistemi dell’Universit`a di Siena.
La modellistica proposta `e stata applicata ad immagini chimiche di un frammento del tracciante 99Tc-NOET impiegato in un modello cardiaco sperimentale. `E stata studiata la variabilit`a del segnale in presenza di una discontinuit`a della matrice tissutale. I risultati mostrano l’individuazione della discontinuit`a e lasciano, pertanto, supporre che sia possibile rivelare anche alterazioni strutturali microscopiche.
Gli indici di caratterizzazione sono stati selezionati sulla base della sen-sibilit`a a variazioni morfologiche delle strutture superficiali del campione ed a variazioni nel tempo di pre-sputtering, mediante studi di tipo model-listico. Gli indici Standard Distance Deviation e Nearest Neighbor Index sono risultati idonei a caratterizzare aspetti geometrici/dimensionali.
L’applicazione del modello ha permesso di individuare l’introduzione di rumore all’aumentare del tempo di pre-sputtering e lascia, pertanto, sup-porre che limitare quanto pi`u possibile questa operazione risulti favorevole all’analisi.
Futuri protocolli sperimentali ed ulteriori studi di tipo analitico/modellistico possono valorizzare le peculiarit`a della tecnica SIMS e promuoverne l’im-piego in ambito farmaceutico e biomedico.
