CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI E DELLE BIOINTERFACCE

Modulo Teranostica e nanomedicina (Modulo 2)

Il corso si propone di fornire gli approfondimenti chimico-fisici di concetti già trattati in altre discipline caratterizzanti il corso di studi, quali la chimica fisica dei sistemi biologici, la chimica organica, la biochimica. I contenuti del corso vertono su principi di base e proprietà delle superfici, soprattutto all’interfaccia solido-liquido, e delle nano-biointefacce.

Specifici obiettivi formativi del corso sono: fornire gli strumenti necessari alla comprensione dei vari tipi di interazione che avvengono alle nano-biointerfacce, comprese quella tra cellule e tessuti ed il loro intorno naturale o artificiale, degli aspetti termodinamici e cinetici dell’interfaccia biomolecola-biomateriale, con approfondimenti sul ruolo fondamentale dell’acqua alle biointerfacce, su sistemi biomimetici e bioinspirati (es. bistrati lipidici supportati, nanozimi). Un altro obiettivo formativo del corso è quello di spiegare come processi cellulari quali l’adesione, la differenziazione e la proliferazione possano essere influenzati da proprietà meccaniche (viscoelasticità), fisiche (topografia) e chimiche (energia libera di superficie, composizione e struttura) delle superfici e di come queste possano essere modulate, in particolare su scala nanometrica, per ottenere sistemi 'intelligenti' che rispondono alle condizioni ambientali (stimolo chimico, fisico e/o biologico) per applicazione in anomedicina e teranostica (terapia+diagnosi/imaging). Nella parte di laboratorio lo studente prenderà consapevolezza non soltanto del ruolo fondamentale espletato da questa disciplina in diversi ambiti scientifico-tecnologici (trasporto e rilascio di farmaco, sensing, imaging, teranostica), ma anche aquisirà dismestichezza con processi di sintesi chimica di sistemi colloidali attualmente in uso in nanomedicina e teranostica.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

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• Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): arrivare alla conoscenza delle caratteristiche essenziali delle biointerfacce ed essere in grado di risolvere in maniera qualitativa e quantitativa semplici problemi relativi all’interfaccia biomolecola-materiale.
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): applicazione delle conoscenze teoriche aquisite per il confronto dei risultati sperimentali con quelli di calcolo, relativamente a casi studio di biointerfacce tra cellule e matrice extracellulare (ECM) e tra cellule, ECM e dispositivi medicali. 

• Autonomia di giudizio (making judgements): raccogliere ed interpretare i dati rilevanti, capacità di ragionamento critico, capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
• Abilità comunicative (communication skills): capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
• Capacità di apprendere (learning skills): aver sviluppato le competenze necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.

Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna (3 CFU); esercitazioni in aula (1 CFU); attività di laboratorio (2 CFU).

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Matematica di base, fisica di base, chimica generale, biochimica, chimica fisica 

Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

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1. Chimica fisica delle nano-biointerfacce. Introduzione al concetto di biointerfaccia. Definizione e proprietà di superficie (in aria e in acqua). 
2. Biomateriali. Preparazione di biomateriali e protesi biomedicali e caratterizzazione chimico-fisica delle loro proprietà di superficie. La reazione del corpo esterno ed incapsulazione dell’impianto. Biosensori. Bioelettronica. Ingegneria tissutale. Nanomedicina e teranostica.
3. Aspetti teorici e applicativi delle biointerfacce. Biointerfacce su scala nanometrica. Interazioni cellula-intorno biologico. Interazioni cellula-cellula e cellula-matrice extracellulare (ECM). Interazione proteina-superficie solida. 
4. Ruolo dell’acqua nell’adsorbimento di superficie. La superficie di ‘Goldilocks’. Concentrazione di superficie, cinetica, conformazione, effetto sul comportamento cellulare.
5. Casi studio di sistemi biomolecolari auto-organizzati: il doppio strato lipidico supportato (SLB).
6. Nanozimi e concetto di piattaforme multimodali.
7. Esempi di caratterizzazione di superfici ed interfacce biologiche. Confronto tra tecniche acustiche (microbilancia a cristallo di quarzo con monitoraggio della dissipazione, QCM-D), ottiche (risonanza plasmonica di superficie, SPR; spettroscopia ottica a guida d’onda, OWLS) e microscopiche (microscopia a forza atomica, AFM; microscopia confocale a scansione laser,  LSM).

• Esercitazioni in laboratorio su sistemi modello di interesse per le biointerfacce in aspetti relativi al drug delivery, biosensing ed imaging.

Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

1. P. W. Atkins, J. de Paula- Chimica fisica biologica - Zanichelli
   
2. Physical chemistry for the life sciences. 2nd ed. By Atkins, P. W.; De Paula, J.; Ed. W.H. Freeman and Co., Oxford University Press: New York; Oxford, 2011; p xxvi, 590 p.
   
3. W. Pauli - Physical Chemistry in the Service of Medicine - Wiley &Sons
   
4. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology - John Wiley & Sons
   
5. H. Ohshima - Biophysical Chemistry of Biointerfaces - Wiley
6. B.D. Ratner, A.S. Hoffman - BIOMATERIALS SCIENCE: An Introduction to Materials in Medicine - Elsevier
7. NANOMATERIALS INTERFACES IN BIOLOGY - METHODS AND PROTOCOLS, Editors: Bergese, Paolo, Hamad-Schifferli, Kimberly (Eds.) SPRINGER

Prova orale. Consegna delle relazioni scritte relative alle esercitazioni svolte in laboratorio.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

- Calcolo del ricoprimento superficiale di una nanoparticella da parte di una proteina in conformazione ‘side-on’

- Tensione superficiale ed energia libera di superficie di un biomateriale ‘anti-fouling’

- Biosensing di biointerfacce ibride con tecniche acustiche e ottiche