Programma

Scopo del corso: Il corso fornisce le nozioni di base relative alle interazioni tra la luce e gli organismi viventi, concentrandosi sull'uso della luce per la diagnosi e la terapia. Vengono descritti in dettaglio la fotoproduzione di energia (fotosintesi e sue applicazioni nella produzione di energia ecosostenibile), i fenomeni fotofisici, la propagazione della luce nei tessuti umani e l'uso della luce nel trattamento di tumori e altre patologie. Vengono esaminate applicazioni biomediche relative a fotodiagnosi, fotosensibilità, fototerapia, terapia fotodinamica e farmaci fotosensibilizzanti. Una parte del corso copre argomenti relativi all'Optogenetica, una nuova branca della Fotonica che utilizza la luce per controllare i neuroni, che sono stati geneticamente modificati per esprimere canali ionici attivabili dalla luce. L'Optogenetica utilizza una combinazione di tecniche ottiche e genetiche per controllare le attività dei singoli neuroni nei tessuti viventi.

Argomenti delle lezioni

Fondamenti di propagazione della luce in cellule e tessuti
Interazioni tra luce e molecole; stati elettronici di una molecola e loro transizioni: differenza tra bioluminescenza, fosforescenza, fluorescenza e altri fenomeni non radiativi; interazioni tra luce, cellule e tessuti; effetti della propagazione della luce nei tessuti biologici; fondamenti delle sorgenti luminose più impiegate utilizzate nei dispositivi diagnostici biomedici.

Nozioni di base di biologia
Struttura e tipi cellulari; principali macromolecole; processi cellulari (dogma centrale della biologia): replicazione, trascrizione, traduzione, biosintesi e produzione di energia; classificazione e funzione delle proteine; organizzazione delle cellule in tessuti; descrizione morfologica e fisiologica dei tessuti principali del corpo umano.

Principi di base dell'ingegneria genetica e manipolazione del DNA
Reazione a catena della polimerasi (PCR); enzimi di restrizione; processo di clonaggio. Manipolazione genetica di microrganismi e organismi eucariotici superiori.

Biosensori
I principi di bioriconoscimento; trasduzione ottica; basi molecolari della generazione di biosensori; sensori a bioluminescenza, colorimetrici, a fluorescenza e basati su FRET. Applicazioni dei biosensori in oncologia, biorisanamento, sicurezza alimentare e produzione di farmaci. Principali strumenti e tecniche di imaging per il rilevamento di biosensori.

Imaging a super risoluzione: tecniche e applicazioni biologiche
Principi fisici e applicazioni biomediche di diverse tecniche ottiche a super-risoluzione (microscopia a due e multi-fotoni, STORM, PALM, STED, microscopia ad espansione, microscopia confocale rescan, LLS, SIM). Principi fisici e applicazioni biomediche di diverse tecniche a super-risoluzione non ottiche: microscopia elettronica (TEM, SEM, STEM); AFM.

Tecnologia microarray
Definizioni e applicazioni delle scienze omiche; tipologie di microarray (microarray di DNA, proteine, cellule e tessuti).
Fotosintesi
Plastidi nelle piante; reazioni alla luce al buio; Ciclo di Calvin e fissazione del carbonio; aspetti ecologici sulla fotosintesi; fotosintesi naturale e artificiale per la generazione di energia rinnovabile.

Tuning spettrale in biologia
Principali pigmenti nei sistemi biologici; chimica alla base della fotoefficienza del pigmento (teoria della risonanza, ambiente chimico e modifiche nelle proprietà di assorbimento della luce); acclimatazione cromatica e adattamento cromatico; aspetti molecolari dell'acclimatazione cromatica.

Tuning della visione nell'uomo
Anatomia dell'occhio umano; aberrazioni dell'occhio umano: aberrazioni ondulatorie e cromatiche, scattering intraoculare; OCT; organizzazione del tessuto retinico; citologia delle cellule di bastoncelli e coni; rodopsina e retina: struttura e funzioni; fotociclo del retinale: isomerizzazione molecolare alla base della visione; cascata di fototrasduzione in fotorecettori di vertebrati.

Optogenetica
Descrizione dei principali strumenti molecolari optogenetici; opsine negli animali; meccanismi di introduzione dei costrutti genetici nei mammiferi; optrodi: applicazioni e limitazioni; fotofisica della penetrazione della luce nei tessuti.

Fotofisiologia e fototossicità
Vitamina D: fotosintesi e metabolismo nel corpo umano; aspetti evolutivi della regolazione mediata dalla vitamina D dell'omeostasi del calcio; organizzazione della pelle umana e differenziazione dei tipi cellulari della pelle; produzione e funzioni di melanina; effetti delle radiazioni ultraviolette; effetti del fotodanneggiamento sulle cellule; meccanismi di riparazione ai danni al DNA fotoindotti; malattie da fotosensibilità; ritmi circadiani dipendenti dalla luce.

Fondamenti degli effetti terapeutici fototermici delle sorgenti luminose
Luce e sua percezione fisica; fototerapia; terapia fotodinamica; farmaci fotosensibilizzanti.

Visita guidata presso il Dipartimento di Scienze di RomaTre sulle strutture e le attrezzature studiate nel corso (luminometro, fluorimetro, citometro a flusso, dispositivi per la manipolazione genetica).
Visita guidata nel Dipartimento di Scienze di RomaTre sui microscopi confocali.
Visita guidata nei laboratori LIME sui microscopi TEM, SEM e AFM.

Testi Adottati

Prasad PN. Introduction to Biophotonics 2nd edition. Wiley-Interscience, Hoboken, NJ. 2003;
Björn LO. Photobiology: The Science of Life and Light, 2nd edition. Springer-Verlag, New York. 2008.
Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson AD, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Essential Cell Biology. 3rd edition. Garland Science. 2010.

Modalità Valutazione

Esame orale sugli argomenti affrontati durante il corso.