Syllabus del corso
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione: il corso intende sviluppare le conoscenze delle influenze ambientali sulla biologia degli organismi viventi e sull’uomo, fornire conoscenza dei principi di tossicologia e dei principali meccanismi dell’azione tossica degli inquinanti. Intende inoltre fornire strumenti concettuali per comprendere i metodi per lo studio degli effetti degli inquinanti sulla salute dell’uomo e dell’ambiente e per la valutazione del rischio tossicologico. Il corso inoltre si prefigge l'obiettivo di aggiornare gli studenti sulle linee di ricerca di frontiera in biologia e tossicologia ambientale
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: l'insegnamento offre la possibilità di applicare le conoscenze acquisite durante le lezioni frontali mediante la partecipazione ad attività laboratoriali riferite agli argomenti del corso e connesse a problematiche ambientali e/o modelli sperimentali di attualità
Autonomia di giudizio: mediante l'interazione diretta in aula con il docente, gli studenti potranno affrontare gli argomenti del corso in modo critico, ponendo domande specifiche e verificando eventuali dubbi. In questo modo per lo studente sarà possibile sviluppare maggiore autonomia di giudizio rispetto alle criticità degli aspetti inerenti la salute ambientale, sia nella ricerca, sia nella discussione pubblica.
Abilità comunicative: lo studente affronterà e acquisirà il linguaggio tecnico legato agli aspetti biologici e tossicologici delle problematiche ambientali. Potrà mettere alla prova le sue abilità sia mediante l'interazione con il docente, sia durante la prova di esame. Potrà inoltre mettersi alla prova mediante lo svolgimento di attività seminariali volontarie.
Capacità di apprendimento: la capacità di apprendimento verrà stimolata mediante l'utilizzo di diversi strumenti didattici (immagini, video, esempi dalla vita quotidiana) e verrà verificata sia mediante il rapporto diretto con il docente in aula, sia durante il colloquio d'esame finale.
Contenuti sintetici
Durante il corso verranno sviluppati i seguenti contenuti:
-sviluppo di un organismo animale: strutture e funzioni a livello di tessuti, organi e sistemi d’organo;
-principi di tossicologia generale e ambientale: definizione di agenti tossici, esposizione, risposte biologiche e relazioni dose-risposta;
-fattori biotici e abiotici, anche di origine antropogenica, in grado di influenzare la biologia degli organismi;
-meccanismi di tossicità molecolare e cellulare, con particolare riguardo ai meccanismi di assorbimento, distribuzione e biotrasformazione degli xenobiotici;
-sviluppo del danno cellulare e a livello di tessuti e organi;
-normative, modelli e metodi in tossicologia ambientale e umana;
-principi per la valutazione del rischio tossicologico;
-esempi storici e attuali di tossicologia ambientale applicata, mediante lo studio degli effetti di inquinanti ambientali di origine domestica, industriale e agricola (es. particolato atmosferico e pesticidi);
-Frontiere della biologia e tossicologia ambientale: la nanotossicologia e le sue applicazioni per lo sviluppo di nanotecnologie sicure per la salute dell’uomo e dell’ambiente; effetti biologici di micro e nanoplastiche.
Programma esteso
Programma:
Parte I - Dalla cellula all’organismo: lo sviluppo della complessità animale e i rapporti con l’ambiente
Cenni di biologia della riproduzione e dello sviluppo (fecondazione, sviluppo embrionale, crescita e differenziamento, rigenerazione).
Cenni di anatomia comparata ed evolutiva (struttura e funzione dei principali organi e apparati: tegumentario, respiratorio, digestivo, urogenitale e nervoso).
Interazioni con l’ambiente: le barriere primarie (cutanea, respiratoria e intestinale) e secondarie (cerebrale, placentare, emato-testicolare).
Risposte ed adattamenti fisiologici ed evolutivi alle modificazioni ambientali.
Uno sguardo sull’uomo.
Parte II – Elementi di tossicologia generale e ambientale
I determinanti ambientali della salute.
Esposizione a fattori biotici e abiotici che possono determinare effetti sugli organismi.
Principi di tossicologia
Caratteristiche dell’esposizione. Classificazione degli effetti tossici. Tossicità acuta e cronica. Relazione dose-effetto e dose-risposta. Definizione delle dosi (concentrazioni) di effetto e di non effetto, LC50, NOAEL, LOAEL. I modelli sperimentali di studio in vitro e in vivo; test di tossicità classici e “highthroughput”; rappresentatività dei modelli e standardizzazione dei test tossicologici.
Dalle bio-interazioni con il tossico allo sviluppo del danno biologico
Assorbimento, distribuzione, accumulo ed eliminazione di tossici negli organismi animali. Principali biotrasformazioni degli xenobiotici: ossidazioni, riduzioni, idrolisi, coniugazioni. I sistemi del citocromo P450 e del glutatione. Induzioni e inibizioni enzimatiche e conseguenze tossicologiche. Cenni di tossicocinetica. Formazione di prodotti reattivi – radicali liberi e agenti redox. Meccanismi di tossicità molecolare e cellulare e sviluppo del danno cellulare e tissutale. Perturbazioni della omeostasi cellulare: effetti sulla respirazione cellulare, inibizione della sintesi di ATP e di altre biosintesi; stress e danno ossidativo a carico di membrane e altre strutture cellulari. Processi di morte cellulare: apoptosi, necrosi e autofagia.
Sviluppo e conseguenze del danno genetico
Genotossicità e mutagenesi: meccanismi del danno al DNA, meccanismi di riparazione del danno e conseguenze della mancata riparazione. Cenni di cancerogenesi. Il cancro; meccanismi d’azione dei cancerogeni chimici ed epigenetici, modelli sperimentali per la valutazione degli agenti cancerogeni
Principi di tossicologia della riproduzione e dello sviluppo.
Meccanismi d’azione di interferenti endocrini sullo sviluppo e funzionalità delle gonadi, meccanismi e patogenesi delle alterazioni dello sviluppo, cenni di teratogenesi; rapporti tra fattori materni e tossicità dello sviluppo embrio-fetale.
Effetti diretti ad organi specifici
Risposte tossiche del fegato, del rene, dell’apparato respiratorio, del sistema cardio-vascolare, del sistema nervoso
Parte III – Biologia e Tossicologia Ambientale Applicata
Bio-interazioni, effetti e meccanismi d’azione di: metalli pesanti, PCB e diossine, pesticidi, effetti tossici di miscele, particelle e fibre (dall’asbesto alle nanoparticelle). Nanobiologia e nanotossicologia: principi e applicazioni. “Environmental and Health Safety” (EHS) e Safety-by-Design (SbD): principi e strumenti per lo sviluppo sostenibile di nuove tecnologie.
Approfondimenti di ricerca: Effetti di pesticidi su organismi acquatici; effetti di particolato atmosferico sulla salute umana; modalità di interazione ed effetti di materiali nanostrutturati, compresi micro e nanoplastiche
Verranno condotti laboratori ed esercitazioni per la comprensione dell’utilizzo di modelli in vitro e in vivo nello studio degli effetti di inquinanti ambientali e per il calcolo delle concentrazioni di effetto.
Durante il corso si terranno seminari di approfondimento da parte di esperti di settore
Prerequisiti
Conoscenze di base di Biologia cellulare e animale e di biochimica
Modalità didattica
21 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza.
5 attività di laboratorio da 4 ore svolte in modalità interattiva in presenza.
Le attività di laboratorio, a frequenza obbligatoria, si svolgeranno in presenza e prevederanno la suddivisione della classe in 2 gruppi.
Materiale didattico
Materiale didattico
Slide del corso, registrazione delle lezioni e articoli scientifici) forniti direttamente dal docente
Libri di testo di riferimento
-Struttura e processi vitali negli animali (Solomon, Martin, Berg), EdiSES
-Elementi di Tossicologia (Caserett & Doull) CEA
-Tossicologia (Galli, Corsini, Marinovich) Piccin
-Eco-Devo: Ambiente e Biologia dello Sviluppo (Gilbert, Hepel), Piccin
Libri di testo on-line
Environmental Toxicology, an open online textbook
https://maken.wikiwijs.nl/147644/Environmental_Toxicology__an_open_online_textbook#!page-5658449
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale.
Il colloquio verterà sugli argomenti svolti a lezione e su un approfondimento basato su un articolo scientifico.
Durante il colloquio verranno quindi valutate le conoscenze acquisite dallo studente durante il corso e la capacità del candidato di comprendere ed elaborare criticamente un lavoro scientifico.
Come prova parziale d'esame, alla fine del corso, gli studenti potranno organizzarsi in gruppi di lavoro per preparare e presentare in modo seminariale alla classe un approfondimento su un argomento di letteratura scientifica/caso studio. La valutazione di questi lavori, che verranno presentati prima del colloquio di esame, contribuirà al punteggio finale del colloquio.
Orario di ricevimento
Su appuntamento mail, scrivendo a paride.mantecca@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
The purpose of the course is to learn the following topics:
- the environmental impacts on the biology of living organisms and humans.
- the principles of toxicology and the main mechanisms of the toxic action exerted by the environmental pollutants.
- the methods to study the effects of the xenobiotics on the environmental and human health and how to evaluate the toxicological risk
- advancements in environmental biology and toxicology research
Contents
The following contents characterize the course.
Development of an animal organism: structure and function at the different levels of the biological organization.
Principles of general and environmental toxicology: toxic agents, exposure and biological responses.
Environmental determinants of health (biotic/abiotic, natural/anthropogenic).
Mechanism of molecular and cell toxicity, adsorption, distribution and biotransformation of xenobiotics.
Development of the damage at cellular and tissutal level.
Regulations, experimental models and methods in environmental and human toxicology.
Introduction to the toxicological risk evaluation.
Historic and modern examples of environmental pollution from domestic, industrial and agricultural sources and their effects on health.
Frontiers of the environmental biology and toxicology: nanotoxicology and applications for the sustainable and safe development of nanotechnology
Detailed program
Part I: From cell to organism: the development of the animal complexity and the environmental influence.
Principles of reproductive and developmental biology, comparative and evolutionary. Structure and function of the main organs and apparatus (skin, respiratory, digestive, urogenital and nervous).
Primary and secondary body barriers and interactions with environmental factors.
Evolutive, structural and functional adaptations to the environmental changes. An overlook to the human.
Part II. Principles of general and environmental toxicology
Environmental determinants of health. Characteristics of the exposure. Classification of the toxic effects. Acute and chronic toxicity, dose-response effect. Definition of the effective and non-effective doses (concentrations), LC50, NOAEL, LOAEL. In vitro and in vivo experimental models to study toxicity. Classic and highthroughput tests.
From xenobiotic bio-interactions to the biological damage.
Mechanisms of adsorption, disposition elimination of the Xenobiotics in the living organism and their biochemical transformation: hydrolysis, reduction, oxidation and conjugation. Mixed function oxidises, cytochrome P450 and Glutathion systems. Metabolizing enzyme inductions and toxicological consequences. Toxicokinetic models. Formation of electrophiles, free radicals nucleophiles, redox active reactants.
Molecular and cellular mechanisms of toxicity: reactions of the toxicants with the target molecules and effects on cells and tissues. Cellular homeostasis dysregulation, inhibition of ATP and macromolecular synthesis, damages of the cellular membranes, oxidative stress and damages.
Development and consequences of the genetic damage.
DNA damages and repair mechanisms. The disrepair consequences. Apoptosis, necrosis and autophagy processes. Chemical carcinogenesis process. Definition of cancer. Mechanism of action of the chemical carcinogens, experimental models to evaluate the carcinogenic agents.
Principles of reproductive and developmental toxicology.
Mechanism of action of the endocrine disrupting chemicals on the gonad development and functionality, developmental abnormalities and teratogenicity. Maternal exposure and embryo-fetal toxicity.
Toxicity directed to specific organs:
Toxic responses of the liver, the kidney, the respiratory apparatus, the cardiovascular system, the nervous system.
Part III. Applied environmental biology and toxicology
Bio-interactions, effects and mode of action of heavy metals, PCB and dioxins, pesticides, complex mixtures, particles and fibres (from asbestos to nanoparticles). Nanobiology and nanotoxicology: principles and applications. “Environmental and Health Safety” (EHS) and Safety-by-Design (SbD) concepts. Concepts and methods for the toxicological risk assessment in humans.
Follow-up from research and literature: effects of pesticides on aquatic organisms, effects of atmospheric particulate matter on human health, bio-interactions and effects of nanostructured materials, including micro and nanoplastics
Laboratory and classes courses will be performed to describe and use in vitro and in vivo models in toxicology for the study of the effects of environmental pollutants.
During the course specific seminars by invited speakers will be held.
Prerequisites
Basic knowledge in cell and animal biology and biochemistry.
Teaching form
delivered didactics: 21 lessons of 2 h
interactive teaching: 5 laboratory activities of 4 h
All the activities will be held in presence. For the laboratory activities, the class will be subdivided in 2 different groups. The presence during these lab activities is mandatory.
Textbook and teaching resource
Slides and registrations of the course, scientific papers and other supporting materials will be made available by the teacher.
Textbooks (hard copies)
-Struttura e processi vitali negli animali (Solomon, Martin, Berg), EdiSES
-Elementi di Tossicologia (Caserett & Doull) CEA
-Tossicologia (Galli, Corsini, Marinovich) Piccin
-Eco-Devo: Ambiente e Biologia dello Sviluppo (Gilbert, Hepel), Piccin
On-line textbook
Environmental Toxicology, an open online textbook
https://maken.wikiwijs.nl/147644/Environmental_Toxicology__an_open_online_textbook#!page-5658449
Semester
First semester
Assessment method
Oral examination
The discussion will be based on the arguments of the course and on the comprehension and critical review of a scientific paper.
As alternative to the discussion of a paper, the students may chose to work in group to prepare a presentation based on an argument from the scientific literature/case study. The presentation should be delivered to the class in seminar form at the end of the course. Such work will be avaluated before the examination sessions and will contribute to the final score of the oral examination.
Office hours
After appointment to be fixed by e-mail (paride.mantecca@unimib.it)
