Course Syllabus
Obiettivi
Il corso affronta le problematiche legate alla costruzione e ricostituzione di sistemi multicellulari in grado di riprodurre diversi aspetti dell’eterogeneità e della variabilità tissutale. La comprensione di tali sistemi richiede un approccio multidisciplinare, nel quale tecniche di biochimica, biologia cellulare e biologia molecolare sono integrate con metodologie avanzate di microfluidica, microscopia, analisi di immagini e tecnologie omiche con risoluzione spaziale.
Questo approccio consente lo studio integrato di processi biologici fondamentali, fornendo strumenti sia per generare nuove conoscenze di base che per sviluppare repliche in vitro di tessuti e organi umani, con l’obiettivo di identificare trattamenti farmacologici personalizzati per il singolo paziente.
Il corso si propone di raggiungere i cinque obiettivi descritti di seguito.
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente dovrà conoscere le possibilità offerte da diversi modelli cellulari avanzati nell’ambito della ricerca di base e preclinica, nonché le loro potenziali applicazioni in ambito diagnostico e terapeutico, con particolare riferimento alla medicina di precisione.
2. Capacità di applicare conoscenze acquisite a nuovi problemi
Lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a problematiche scientifiche, metodologiche e applicative diverse da quelle esplicitamente trattate a lezione.
3. Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di rielaborare le conoscenze e le metodologie apprese, consultare la letteratura in modo critico e mantenersi aggiornato sia sui temi trattati a lezione che sugli ambiti di utilizzo dei modelli cellulari avanzati. Lo sviluppo di tali abilità sarà favorito da journal club nei quali articoli scientifici forniti dai docenti saranno analizzati criticamente e discussi in modo interattivo in aula dagli studenti.
4. Abilità comunicative
Lo studente saprà esprimersi in modo appropriato in italiano, per gli studenti di madrelingua italiana, e in inglese, per tutti gli studenti, descrivendo le tematiche affrontate con proprietà di linguaggio e sicurezza espositiva.
5. Capacità di apprendimento
Lo studente saprà analizzare, applicare, integrare e collegare le conoscenze acquisite con quanto appreso in insegnamenti correlati, al fine di affrontare problemi scientifici in modo integrato.
Contenuti sintetici
Gli studi preclinici di patologie multifattoriali, come tumori e malattie neurodegenerative, richiedono modelli cellulari sempre più complessi, capaci di ricapitolare in modo più efficace, rispetto alle colture cellulari convenzionali, le caratteristiche della patologia in studio.
Saranno descritte e comparate le modalità di formazione di differenti modelli cellulari avanzati e le principali tecnologie di analisi, con particolare attenzione all’imaging avanzato, alle tecnologie omiche a singola cellula e alle metodologie con risoluzione spaziale. Verrà inoltre discusso il possibile ruolo di alcuni di questi modelli nella medicina personalizzata.
Molti di questi argomenti verranno trattati mediante l’analisi multidisciplinare di casi di studio selezionati ad hoc.
Programma esteso
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Sferoidi: aggregati cellulari tridimensionali derivati da un unico tipo cellulare, definiti omotipici, o da due o più tipi cellulari diversi, definiti eterotipici.
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Organoidi: strutture derivate da una o poche cellule di un tessuto, da cellule staminali embrionali o da cellule staminali pluripotenti indotte, capaci di auto-organizzarsi in colture tridimensionali grazie alle loro proprietà di autorinnovamento e differenziamento.
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Organ-on-chip: sistemi contenenti tessuti ingegnerizzati o naturali cresciuti all’interno di chip microfluidici miniaturizzati. Questi dispositivi sono progettati per imitare aspetti della fisiologia umana e consentono il controllo dei microambienti cellulari, preservando funzioni specifiche dei tessuti.
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Xenotrapianti derivati da paziente (PDX): modelli tumorali in cui tessuto o cellule tumorali di un paziente vengono impiantati in un topo immunodeficiente o umanizzato, al fine di ricostruire un ambiente che consenta la crescita naturale del tumore, il suo monitoraggio e la valutazione della risposta a trattamenti.
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Principali tecnologie di analisi, anche quantitative: imaging, analisi morfometriche, autofluorescenza, analisi Seahorse e sonde fluorescenti specifiche.
Prerequisiti
Non sono previste propedeuticità. Tuttavia, il corso si basa su concetti e metodologie esposti nei corsi di Biochimica, Biologia Molecolare e Biologia Cellulare di base.
In particolare, è utile la conoscenza di elementi di biochimica cellulare, nonché di biologia generale, cellule eucariotiche e microscopia. È inoltre utile una conoscenza di base in ambito statistico.
Modalità didattica
Il corso consta di 14 lezioni da 2 ore, articolate in:
- 8-10 lezioni in modalità erogativa, focalizzate sulla presentazione e illustrazione di contenuti, concetti e principi scientifici;
- 4-6 lezioni in modalità interattiva, che prevedono la discussione di articoli scientifici da parte degli studenti, anche attraverso presentazioni in modalità simile alla comunicazione di dati in un congresso scientifico, sotto forma di relazione orale, journal club o poster;
- 20 ore di laboratorio dedicate alla preparazione e all’analisi biochimica e mediante analisi di immagine di modelli cellulari avanzati, in particolare sferoidi omo- ed eterotipici e alla loro analisi morfometrica e biochimica.
L’esatta ripartizione tra didattica erogativa e didattica interattiva dipenderà dal numero di studenti iscritti al corso. Tutte le attività saranno svolte in presenza.
Lingua di erogazione: inglese (su richiesta di studenti stranieri).
Materiale didattico
Articoli specialistici, articoli di rassegna e/o capitoli di libro saranno consigliati durante il corso.
Saranno inoltre forniti gli specifici protocolli sperimentali relativi alle esercitazioni di laboratorio.
Verranno rese disponibili le videoregistrazioni delle lezioni frontali.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previsti compiti in itinere.
L’esame è orale e verificherà l’acquisizione dei concetti di base relativi allo sviluppo e all’utilizzo di modelli cellulari avanzati e alle loro applicazioni.
L’esame consta di tre parti:
- verifica delle conoscenze acquisite sui modelli cellulari avanzati;
- verifica delle conoscenze acquisite sulle metodologie di analisi;
- verifica delle competenze acquisite e descrizione delle attività svolte durante il laboratorio.
Il voto finale terrà conto di tutti gli aspetti sopraindicati.
Orario di ricevimento
Previo appuntamento via e-mail
Sustainable Development Goals
Aims
The course addresses the challenges associated with the construction and reconstitution of multicellular systems capable of reproducing different aspects of tissue heterogeneity and variability. Understanding these systems requires a multidisciplinary approach in which techniques from biochemistry, cell biology and molecular biology are integrated with advanced methodologies in microfluidics, microscopy, image analysis and spatially resolved omics technologies.
Such an approach enables the integrated study of fundamental biological processes, providing tools both to generate new basic knowledge and to develop in vitro replicas of human tissues and organs, with the aim of identifying personalized pharmacological treatments for individual patients.
The course aims to achieve the five learning objectives described below.
1. Knowledge and understanding
Students will acquire knowledge of the opportunities offered by different advanced cellular models in basic and pre-clinical research, as well as their potential applications in diagnostic and therapeutic settings, particularly in the field of precision medicine.
2. Ability to apply acquired knowledge to new problems
Students will be able to apply the knowledge acquired to scientific, methodological and applied problems that differ from those explicitly addressed during the lectures.
3. Autonomy of judgement
Students will be able to critically re-elaborate the knowledge and methodologies acquired, consult the scientific literature critically and remain up to date on both the topics covered during the course and the main fields of application of advanced cellular models. The development of these skills will be enhanced through journal clubs, in which scientific articles provided by the lecturers will be critically analysed and discussed interactively in class by the students.
4. Communication skills
Students will be able to communicate appropriately in Italian, for native Italian speakers, and in English, for all students, describing the topics covered with appropriate terminology and confidence in oral presentation.
5. Learning skills
Students will be able to analyse, apply, integrate and connect the knowledge acquired with that gained in related courses, in order to address scientific problems in an integrated manner.
Contents
Pre-clinical studies of multifactorial diseases, such as cancer and neurodegenerative disorders, require increasingly complex cellular models that can more effectively recapitulate the features of the disease under investigation compared with conventional cell cultures.
The course will describe and compare the generation of different advanced cellular models and the main analytical technologies used to study them, with particular attention to advanced imaging, single-cell omics technologies and spatially resolved methodologies. The possible role of some of these models in personalized medicine will also be discussed.
Many of the topics will be addressed through the multidisciplinary analysis of specific case studies.
Detailed program
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Spheroids: three-dimensional cellular aggregates derived from a single cell type, defined as homotypic, or from two or more different cell types, defined as heterotypic.
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Organoids: structures derived from one or a few cells of a tissue, from embryonic stem cells or from induced pluripotent stem cells, capable of self-organizing in three-dimensional cultures thanks to their self-renewal and differentiation properties.
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Organ-on-chip systems: systems containing engineered or natural tissues grown within miniaturized microfluidic chips. These devices are designed to mimic aspects of human physiology and allow control of cellular microenvironments while preserving tissue-specific functions.
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Patient-derived xenografts (PDXs): tumour models in which tissue or tumour cells from a patient are implanted into an immunodeficient or humanized mouse, in order to reconstruct an environment that allows natural tumour growth, tumour monitoring and evaluation of responses to treatments.
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Main analytical technologies, including quantitative approaches: imaging, morphometric analyses, autofluorescence, Seahorse analysis and specific fluorescent probes.
Prerequisites
There are no formal prerequisites. However, the course is based on concepts and methodologies covered in basic Biochemistry, Molecular Biology and Cell Biology courses.
In particular, knowledge of basic cellular biochemistry, as well as general biology, eukaryotic cells and microscopy, is useful. Basic knowledge of statistics is also useful.
Teaching form
The course consists of 14 lectures of 2 hours each, organized as follows:
- 8-10 lectures in a traditional teaching format, focused on the presentation and explanation of scientific contents, concepts and principles;
- 4-6 interactive sessions, involving the discussion of scientific articles by the students, also through presentations similar to the communication of scientific data at a conference, in the form of an oral presentation, journal club or poster;
- 20 hours of laboratory activities dedicated to the preparation and biochemical and image-based analysis of advanced cellular models, in particular homotypic and heterotypic spheroids, and to their morphometric and biochemical analysis.
The exact balance between traditional frontal teaching and interactive teaching will depend on the number of students enrolled in the course. All activities will take place in person.
Language of instruction: English (upon request by international students).
Textbook and teaching resource
Specialized articles, review articles and/or book chapters will be recommended during the course.
Specific experimental protocols related to the laboratory activities will also be provided.
Video recordings of the frontal lectures will be made available.
Semester
First semester
Assessment method
There are no mid-term assessments.
The exam is oral and will assess the acquisition of the basic concepts related to the development and use of advanced cellular models and their applications.
The exam consists of three parts:
- assessment of the knowledge acquired on advanced cellular models;
- assessment of the knowledge acquired on analytical methodologies;
- assessment of the skills acquired and description of the activities carried out during the laboratory sessions.
The final grade will take into account all the aspects listed above.
Office hours
By appointment via email
Sustainable Development Goals
Staff
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Luisa Fiandra
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Metello Enzo Innocenti
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Elena Sacco
