Syllabus del corso
Obiettivi
Con il termine nanobiotecnologie ci si riferisce alle applicazioni bioindustriali e medicali di materiali altamente strutturati su scala nanometrica, facendo uso di tecnologie innovative in grado di permettere un elevato controllo sulle proprietà chimico-fisiche dei materiali stessi a livello atomico o di assemblati molecolari. Le nanobiotecnologie sono un settore di ricerca giovane in rapida evoluzione, all’incrocio tra le biotecnologie e le nanoscienze, due aree molto interdisciplinari, ciascuna delle quali combina aspetti innovativi sia a livello strettamente scientifico che ingegneristico. Le architetture molecolari di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm possiedono un enorme potenziale applicativo in campo biomedico grazie alla combinazione di proprietà chimiche e fisiche dipendenti dalle dimensioni stesse, che non si manifestano a livello molecolare o “in bulk”, e di efficaci interazioni con i sistemi molecolari e biologici. Tali proprietà hanno un potenziale particolarmente interessante nello studio delle malattie tumorali. In questo contesto, la sintesi di nanoparticelle ibride organiche/inorganiche di alta qualità, dotate di proprietà ottiche e magnetiche peculiari, si sta affermando come una nuova frontiera particolarmente promettente che sta generando una nuova disciplina, la cosiddetta “nanooncologia”, il cui scopo è la realizzazione di agenti terapeutici e diagnostici utilizzabili sia come biosensori che per la ricerca in fase preclinica e clinica. Per questo motivo, sono state ideate nanoparticelle utili come marcatori per l’imaging tumorale in vivo e come sistemi per il trasporto attivo di farmaci. Nell’ambito del drug delivery, trovano largo impiego anche nanoparticelle lipidiche o polimeriche, e i recenti sforzi sono devoti allo sviluppo di nanocarrier che imitino in maniera sempre più efficienti sistemi biologici. Le nanobiotecnologie trovano inoltre applicazione nello studio di altre patologie (e.g., infiammatorie, malattie croniche in genere e degenerative), così come nell’ideazione di approcci innovativi e facilmente traslabili per la vaccinazione.
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell’insegnamento lo studente si sarà appropriato delle conoscenze fondamentali per l’affronto delle problematiche moderne relative all’impiego delle nanotecnologie per far fronte alle nuove sfide in campo industriale nell’ambito dei biomateriali e delle potenziali ricadute nel settore della salute.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel campo delle nanobiotecnologie, dando particolare enfasi alle potenziali ricadute in campo biomedicale.
Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di elaborare quanto appreso e saper riconoscere le situazioni e i problemi in cui le nanotecnologie apprese possano essere impiegate per l’affronto e la soluzione degli attuali problemi legati alla salute umana.
Abilità comunicative
Alla fine dell’insegnamento lo studente saprà esprimersi in modo appropriato nella descrizione delle tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza di esposizione.
Capacità di apprendimento
Alla fine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di consultare la letteratura sugli argomenti trattati e saprà analizzare, applicare, integrare e collegare le conoscenze acquisite con quanto verrà appreso in insegnamenti correlati all’utilizzo delle nuove tecnologie in ambito biotecnologico-farmacologico.
Contenuti sintetici
Le tematiche fondamentali del corso verteranno sui seguenti argomenti:
- Introduzione alle nanotecnologie: saranno offerti approfondimenti sugli elementi essenziali delle nanoscienze di base: cenni storici sulla nascita delle nanotecnologie, definizioni fondamentali e strumenti di base.
- Sintesi e funzionalizzazione di nanoparticelle colloidali;
- Interazioni tra le nanoparticelle e i sistemi biologici;
- Nanoparticelle multifunzionali per applicazioni biomediche;
- Nanostrutture biologiche e biomimetiche;
- Drug delivery systems basati su nanoparticelle;
- Tecniche di indagine biologica su scala nanometrica.
Programma esteso
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Introduzione alle nanotecnologie
Da molti ritenute la “key technology” del 21esimo secolo, le nanobiotecnologie sono ancora in una fase di sviluppo embrionale a rapida espansione e, pertanto, risulta ancora non semplice identificare univocamente il campo d’azione e focalizzare gli scopi di questa nuova disciplina. Attualmente, si tende ad indicare con questo termine l’utilizzo dei sistemi biologici ottimizzati attraverso l’evoluzione, tra i quali cellule, componenti cellulari, proteine ed acidi nucleici, allo scopo di realizzare architetture funzionali nanostrutturate combinando materiali organici e inorganici con elevato controllo morfostrutturale. Le nanobiotecnologie, inoltre, riguardano l’ottimizzazione nell’uso di tecnologie avanzate, progettate originalmente per generare e manipolare materiali nanostrutturati, per studi speculativi o applicativi riguardanti i processi biologici fondamentali.
Alcuni prodotti derivanti dalle nanotecnologie applicate alla biomedicina sono già disponibili sul mercato quali, ad esempio, alcuni agenti di contrasto per la risonanza magnetica, vettori per farmaci antitumorali e i primi dispositivi diagnostici basati su microarray coniugati a rivelatori nanostrutturati. Per migliorare il trasporto dei chemioterapici alle cellule tumorali sono stati impiegati numerosi approcci nanotecnologici con lo scopo di minimizzare gli effetti tossici sui tessuti sani mantenendo l’efficacia antitumorale. Uno di questi sistemi di trasporto, la Doxorubicina liposomiale PEGilata, ha dimostrato una migliore localizzazione del farmaco a livello del tumore riducendo gli effetti tossici cardiaci, pertanto è stata approvata nel trattamento del cancro ovarico refrattario e nel sarcoma di Kaposi negli Stati Uniti. Il Paclitaxel legato a nanoparticelle di albumina mostra un’efficacia maggiore rispetto alle iniezioni tradizionali di Paclitaxel con additivi emulsionanti garantendo un profilo di sicurezza superiore che ne ha permesso l’approvazione negli Stati Uniti per trattamento del tumore metastatico del seno. Sono inoltre in via di sviluppo/disponibili sul mercato sistemi diagnostici basati su tecnologia lab-on-chip, sistemi avanzati per il drug delivery (si pensi alle nanoparticelle recentemente approvate per trasporto di mRNA nella vaccinazione), protesi mediche più resistenti e con migliorata biocompatibilità, nanosistemi per la ricostruzione tissutale.
Più in generale, si valuta che la spesa globale di mercato nelle nanotecnologie è in continua crescita e budget previsto per l’anno 2023 è intorno ai 15 bilioni di dollari includendo anche i settori energetico, optoelettronico, tessile e delle telecomunicazioni. Le imprese attive nel settore sono già più di 15 mila nel mondo e i prodotti sul mercato sono già diverse migliaia in vari settori. Le nanotecnologie rientrano negli obiettivi di sviluppo di tutti i maggiori Paesi industrializzati. -
Sintesi e funzionalizzazione di nanoparticelle colloidali
Saranno presentate le metodologie in uso per la preparazione, caratterizzazione e funzionalizzazione con molecole di interesse biologico. Saranno presentati approcci classici e tecniche innovative per ottenere un controllo morfologico-dimensionale e dei parametri fondamentali per una corretta disposizione dei ligandi molecolari. -
Interazioni tra le nanoparticelle e i sistemi biologici
Saranno studiate le interazioni di nanoparticelle colloidali con proteine, cellule e il sistema circolatorio e l’interazione con le barriere biologiche in organismi superiori. Contestualmente, un approfondimento sarà dedicato al tema della nanotossicologia. -
Nanoparticelle multifunzionali per applicazioni biomediche
Saranno mostrati vari esempi di applicazione dell’uso delle nanoparticelle ibride colloidali, polimeriche e lipidiche a complesse problematiche nel campo della salute, in particolare in ambito oncologico. -
Nanoparticelle biologiche e biomimetiche
Saranno mostrati esempi di applicazione di nanocages proteici prodotti per via ricombinante a scopo nanotecnologico (ferritina e capsidi virali), nanoparticelle derivate da membrane biologiche e vescicole extracellulari. -
Drug delivery systems basati su nanoparticelle
Saranno affrontate le problematiche relative all’utilizzo delle nanoparticelle per il delivery sia di piccole molecole organiche che di farmaci biologici e presentati approcci per il rilascio controllato. Una lezione di approfondimento sarà dedicata all’impiego di nanomateriali (vettori virali e sintetici) per il trasporto di materiale genico con un focus sulle nanoparticelle lipidiche recentemente approvate per il trasporto di mRNA. -
Tecniche di indagine biologica su scala nanometrica
Saranno presentate le principali tecnologie utilizzate per la caratterizzazione dei sistemi nanotecnologici e i fondamentali aspetti teorici alla base delle stesse.
Prerequisiti
Prerequisiti. L’approccio fortemente interdisciplinare richiede conoscenze di base di chimica, biochimica, biologia molecolare e cellulare, nonché dei fondamentali della fisica.
Propedeuticità. Nessuna
Modalità didattica
42 ore, 21 lezioni da 2 ore costituite da: una parte in modalità erogativa (didattica erogativa, DE) focalizzata sulla presentazione-illustrazione di contenuti, concetti, principi scientifici; una parte in modalità interattiva (didattica interattiva, DI), che prevede interventi didattici integrativi, discussione di casi di studio.
Tutte le attività sono svolte in presenza
L'insegnamento verrà tenuto in lingua italiana
Materiale didattico
Bibliografia fornita durante le lezioni.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame scritto. La prova si articola in 15 domande, alcune a risposta chiusa (V/F), altre aperte. Inoltre, facoltativa una discussione sui contenuti dell'insegnamento.
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento previa richiesta via email al docente
Sustainable Development Goals
Aims
The term nanobiotechnology refers to the bio-industrial and medical applications of highly structured materials on a nanometric scale, taking advantage of innovative technologies capable of allowing a high control over the chemical-physical properties of materials at the atomic level or of molecular assemblies. Nanobiotechnology is a rapidly evolving young research field, at the crossroads of biotechnology and nanoscience, two very interdisciplinary areas, each of which combines innovative aspects at both the scientific and engineering levels. Molecular architectures with at least one dimension in the range between 1 and 100 nm have tremendous application in biomedicine thanks to the combination of chemical and physical properties dependent on the small size, which do not manifest at the molecular or “bulk” level, and effective interactions with molecular and biological systems. These properties have a particularly interesting potential in the study of tumor. In this context, the synthesis of high-quality organic/inorganic hybrid nanoparticles, endowed with peculiar optical and magnetic properties, is emerging as a new and promising new frontier that is generating a new discipline, the so-called "nano-oncology", whose aim is the creation of therapeutic and diagnostic agents that can be used both as biosensors and for preclinical and clinical research. For this reason, multifunctional nanoparticles have been designed as markers for in vivo tumor imaging and as active drug delivery systems. In the drug delivery area, also polymeric and lipidic nanoparticles are widely used and recent efforts are devoted in the development novel nanocarriers that closely mimics the biological systems. Besides the oncology, the nanotechnology find application in other pathologies (e.g. inflammatory, degenerative and other chronic diseases) as well as in the development of alternative strategies for vaccination.
Knowledge and understanding
At the end of the course, the student will have appropriated the fundamental knowledge for facing the modern problems related to the use of nanotechnology in order to face the new challenges in the industrial field of biomaterials and potential fallouts in the health system.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course, the student should be able to apply the knowledge acquired in the field of nanobiotechnology, with particular emphasis on potential outcome in biomedicine.
Making judgments
The student should be able to process what he/she has learned and be able to recognize the situations and problems in which nanotechnology learned can be used for facing and solving the current problems related to human health.
Communication skills
At the end of the course the student will be able to express himself appropriately in the description of the topics addressed with language properties and exposure safety.
Learning skills
At the end of the course the student will be able to read the literature and will be able to analyze, apply, integrate and connect the knowledge acquired with what will be learned in lessons related to the use of new technologies in biotechnology-pharmacology.
Contents
The fundamental items of the course will focus on the following topics:
- Introduction to nanotechnology: brief history of nanotechnology, basic definitions and basic tools.
- synthesis and functionalization of colloidal nanoparticles;
- Interactions among nanoparticles and biological systems;
- multifunctional nanoparticles for biomedical application;
- biologic and biomimetic nanoparticles;
- drug delivery systems based on nanoparticles;
- methods for biological investigation at the nanoscale.
Detailed program
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Introduction to Nanotechnology
Considered by many people as the "key technology" of the 21st century, nanobiotechnology is still in a phase of rapidly expanding embryonic development and, therefore, it is still not easy to univocally identify the field of action and focus the aims of this new discipline. Currently, we tend to indicate with this term the use of biological systems optimized through evolution, including cells, cellular components, proteins and nucleic acids, in order to realize nanostructured functional architectures by combining organic and inorganic materials with high morpho-structural control. Furthermore, nanobiotechnology concerns the optimization of the use of advanced technologies, originally designed to generate and manipulate nanostructured materials, for speculative studies or applications concerning fundamental biological processes.
Some products deriving from nanotechnology applied to biomedicine are already available on the market such as, for example, some contrast agents for magnetic resonance imaging, vectors for anticancer drugs and the first diagnostic devices based on microarray conjugated with nanostructured detectors. Numerous nanotechnological approaches have been employed to improve the transport of chemotherapeutic agents to tumor cells with the aim of minimizing the toxic effects on healthy tissues while maintaining antitumor efficacy. One of these transport systems, the PEGylated liposomal doxorubicin, has shown a better tumor location of the drug by reducing the cardiotoxic side effects, and has therefore been approved in the treatment of refractory ovarian cancer and Kaposi’s sarcoma in the United States. Paclitaxel bound to albumin nanoparticles shows greater efficacy than traditional injections of Paclitaxel with emulsifying additives ensuring a superior safety profile that has allowed approval in the United States for the treatment of metastatic breast cancer. In addition, there are several other products in development/already available on the market: diagnostics based on lab-on-chip technology, advanced systems for drug delivery (e.g., the recent nanotechnology approved for mRNA delivery in SARS-CoV-2 vaccination), more resistant medical prostheses with improved biocompatibility, and nanosystems for tissue regeneration are expected.
On a wider perspective, the global spending on nanotechnology is constantly growing and the budget estimated for 2023, including the energy, optoelectronic, textile and telecommunications areas, is close to 15 billion dollars. There are already more than 15,000 companies active in the sector in the world and there are already several thousands products on the market in various sectors. -
Synthesis and functionalization of colloidal nanoparticles
The methodologies in use for the preparation, characterization and functionalization of nanoparticles with molecules of biological interest will be presented. Classical approaches and innovative techniques will be presented to obtain a morphological-dimensional control and of the fundamental parameters for a correct arrangement of the molecular ligands. -
Interactions between nanoparticles and biological systems
Interactions of colloidal nanoparticles with proteins, cells and the circulatory system and interaction with biological barriers in higher organisms will be presented. In addition, the basic concepts of nanotoxicology will be introduced. -
Multifunctional nanoparticles for biomedical applications
Various examples of the application of hybrid colloidal, polymeric and lipidic nanoparticles to complex problems in the field of health will be shown, particularly in oncology. -
Biologic and biomimetic nanoparticles
Various examples of applications of recombinant protein nanocages (i.e., ferritin and virus-like particles), cell membrane-derived nanoparticles and extracellular vesicles will be presented. -
Drug delivery systems based on nanoparticles
Problems related to the use of nanoparticles for the delivery of small molecules and biological drugs as well as approaches for controlled drug release will be addressed. An in-depth lesion will be dedicated to the use of nanotechnology for nucleic acid delivery with a focus on the lipid nanoparticles technology recently approved for mRNA delivery. -
Biological investigation techniques on the nanoscale
The main technologies used for the characterization of nanotechnological systems and the fundamental theoretical aspects underlying them will be presented.
Prerequisites
Background. The strongly interdisciplinary approach requires basic knowledge of chemistry, biochemistry, molecular and cellular biology as well as the fundamentals of physics.
Prerequisites. None
Teaching form
42 h, 21 lessons, 2 h each: a section of delivered didactics (Didattica erogativa, DE) focused on the presentation-illustration of contents by the lecturer; a section of interactive teaching (Didattica Interattiva, DI) including teaching interventions supplementary to delivered didactic activities and discussion of case studies.
Didactic activities are conveyed by means of face-to-face lectures
Teaching language: Italian
Textbook and teaching resource
Bibliography provided by the lecturer
Semester
Second semester
Assessment method
Written test. The examination consists in 15 questions, including some of them as True or False and other ones as open discussion. Optionally, a discussion about the course content.
Office hours
Contact: on demand upon email request to the lecturer.
Sustainable Development Goals
Staff
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Davide Prosperi
