Il corso di Nanomateriali per Drug Delivery si propone di fornire allo studente competenze teoriche e pratiche riguardo i moderni processi di sintesi e le più avanzate tecniche di caratterizzazione dei nanomateriali inorganici e organici per applicazioni in campo farmaceutico e biomedico.
scheda docente
materiale didattico
Fondamenti di nanomedicina e drug delivery
Definizione e classificazione dei nanomateriali. Effetti della scala nanometrica e rapporto superficie/volume. Relazione tra composizione, dimensioni, forma, carica superficiale, porosità, stabilità colloidale e comportamento biologico. Vantaggi e limiti dei sistemi nanostrutturati rispetto alla somministrazione convenzionale dei farmaci.
Principali classi di nanomateriali inorganici
Nanoparticelle metalliche, con particolare riferimento a oro, argento e platino. Nanoparticelle di ossidi metallici, comprese magnetite e maghemite, ossido di zinco e ossido di cerio. Nanoparticelle magnetiche e loro impiego nel targeting magnetico, nell’ipertermia e nella risonanza magnetica. Silice mesoporosa e materiali a base di calcio, fosfati di calcio e idrossiapatite. Quantum dots e nanomateriali semiconduttori. Cenni ai nanomateriali carboniosi e ai sistemi ibridi organico-inorganici.
Principali metodi di preparazione: nucleazione e crescita, sintesi colloidale, precipitazione e coprecipitazione, processo sol-gel, sintesi idrotermale e approcci di green synthesis. Controllo di dimensioni, forma e dispersione.
Caricamento e rilascio del farmaco
Adsorbimento fisico, interazioni elettrostatiche, coordinazione, intrappolamento nei pori e coniugazione covalente. Impiego di linker degradabili o sensibili all’ambiente biologico. Efficienza di caricamento e capacità di carico. Meccanismi di rilascio per diffusione, desorbimento, dissoluzione o degradazione del nanocarrier. Sistemi di rilascio controllato e responsivo a pH, condizioni redox, enzimi, luce, calore o campi magnetici.
Funzionalizzazione superficiale e targeting
Funzionalizzazione covalente e non covalente. Silanizzazione, interazioni tiolo–oro e ancoraggio mediante gruppi fosfonato o catecolo sulle superfici degli ossidi. Rivestimenti polimerici e PEGylation. Coniugazione con anticorpi, peptidi, proteine, aptameri, acidi nucleici e carboidrati.
Targeting passivo e attivo. Interazioni bio–nano, adsorbimento delle proteine e formazione della corona proteica. Riconoscimento da parte del sistema immunitario e clearance da parte del sistema mononucleato-fagocitario. Attraversamento delle barriere biologiche, internalizzazione cellulare, traffico intracellulare ed escape endosomiale. Strategie di indirizzamento verso organelli cellulari e nucleo mediante peptidi penetranti, sequenze di localizzazione nucleare e ligandi specifici.
Tecniche di caratterizzazione
- Microscopia TEM, SEM e AFM per morfologia, dimensioni e aggregazione.
- Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, indice di polidispersità e potenziale zeta per dimensioni idrodinamiche e stabilità colloidale.
- Diffrazione a raggi X per struttura cristallina e composizione di fase.
- Spettroscopia UV-Vis, fluorescenza, FTIR e Raman per proprietà ottiche, composizione e interazioni molecolari.
- XPS per composizione e stato chimico della superficie e per lo studio della funzionalizzazione.
- Analisi termogravimetrica per la valutazione dei rivestimenti e della componente organica superficiale.
- BET e analisi della porosità per i materiali mesoporosi.
- ICP-MS o ICP-OES per composizione elementare, concentrazione, dissoluzione e rilascio ionico.
- Metodi spettroscopici e cromatografici per la determinazione dell’efficienza di caricamento e dei profili di rilascio.
Interazioni biologiche e applicazioni
Influenza delle proprietà fisico-chimiche su biodistribuzione, farmacocinetica, uptake cellulare e tossicità. Impieghi in oncologia, terapia genica, trattamento delle infezioni, superamento della barriera emato-encefalica, bioimaging e teranostica. Nanoparticelle plasmoniche per terapia fototermica e nanoparticelle magnetiche per imaging e rilascio guidato.
Biocompatibilità, nanotoxicology, stress ossidativo, infiammazione, accumulo e destino a lungo termine. Principi di safe-by-design. Riproducibilità, scalabilità, standardizzazione, controllo di qualità e principali ostacoli alla traduzione clinica e all’approvazione regolatoria.
Programma
Il modulo introduce i principi chimici, fisici e biologici alla base della progettazione dei nanomateriali inorganici per il drug delivery.Fondamenti di nanomedicina e drug delivery
Definizione e classificazione dei nanomateriali. Effetti della scala nanometrica e rapporto superficie/volume. Relazione tra composizione, dimensioni, forma, carica superficiale, porosità, stabilità colloidale e comportamento biologico. Vantaggi e limiti dei sistemi nanostrutturati rispetto alla somministrazione convenzionale dei farmaci.
Principali classi di nanomateriali inorganici
Nanoparticelle metalliche, con particolare riferimento a oro, argento e platino. Nanoparticelle di ossidi metallici, comprese magnetite e maghemite, ossido di zinco e ossido di cerio. Nanoparticelle magnetiche e loro impiego nel targeting magnetico, nell’ipertermia e nella risonanza magnetica. Silice mesoporosa e materiali a base di calcio, fosfati di calcio e idrossiapatite. Quantum dots e nanomateriali semiconduttori. Cenni ai nanomateriali carboniosi e ai sistemi ibridi organico-inorganici.
Principali metodi di preparazione: nucleazione e crescita, sintesi colloidale, precipitazione e coprecipitazione, processo sol-gel, sintesi idrotermale e approcci di green synthesis. Controllo di dimensioni, forma e dispersione.
Caricamento e rilascio del farmaco
Adsorbimento fisico, interazioni elettrostatiche, coordinazione, intrappolamento nei pori e coniugazione covalente. Impiego di linker degradabili o sensibili all’ambiente biologico. Efficienza di caricamento e capacità di carico. Meccanismi di rilascio per diffusione, desorbimento, dissoluzione o degradazione del nanocarrier. Sistemi di rilascio controllato e responsivo a pH, condizioni redox, enzimi, luce, calore o campi magnetici.
Funzionalizzazione superficiale e targeting
Funzionalizzazione covalente e non covalente. Silanizzazione, interazioni tiolo–oro e ancoraggio mediante gruppi fosfonato o catecolo sulle superfici degli ossidi. Rivestimenti polimerici e PEGylation. Coniugazione con anticorpi, peptidi, proteine, aptameri, acidi nucleici e carboidrati.
Targeting passivo e attivo. Interazioni bio–nano, adsorbimento delle proteine e formazione della corona proteica. Riconoscimento da parte del sistema immunitario e clearance da parte del sistema mononucleato-fagocitario. Attraversamento delle barriere biologiche, internalizzazione cellulare, traffico intracellulare ed escape endosomiale. Strategie di indirizzamento verso organelli cellulari e nucleo mediante peptidi penetranti, sequenze di localizzazione nucleare e ligandi specifici.
Tecniche di caratterizzazione
- Microscopia TEM, SEM e AFM per morfologia, dimensioni e aggregazione.
- Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, indice di polidispersità e potenziale zeta per dimensioni idrodinamiche e stabilità colloidale.
- Diffrazione a raggi X per struttura cristallina e composizione di fase.
- Spettroscopia UV-Vis, fluorescenza, FTIR e Raman per proprietà ottiche, composizione e interazioni molecolari.
- XPS per composizione e stato chimico della superficie e per lo studio della funzionalizzazione.
- Analisi termogravimetrica per la valutazione dei rivestimenti e della componente organica superficiale.
- BET e analisi della porosità per i materiali mesoporosi.
- ICP-MS o ICP-OES per composizione elementare, concentrazione, dissoluzione e rilascio ionico.
- Metodi spettroscopici e cromatografici per la determinazione dell’efficienza di caricamento e dei profili di rilascio.
Interazioni biologiche e applicazioni
Influenza delle proprietà fisico-chimiche su biodistribuzione, farmacocinetica, uptake cellulare e tossicità. Impieghi in oncologia, terapia genica, trattamento delle infezioni, superamento della barriera emato-encefalica, bioimaging e teranostica. Nanoparticelle plasmoniche per terapia fototermica e nanoparticelle magnetiche per imaging e rilascio guidato.
Biocompatibilità, nanotoxicology, stress ossidativo, infiammazione, accumulo e destino a lungo termine. Principi di safe-by-design. Riproducibilità, scalabilità, standardizzazione, controllo di qualità e principali ostacoli alla traduzione clinica e all’approvazione regolatoria.
Testi Adottati
Non è previsto un testo di riferimento obbligatorio. Il materiale didattico sarà costituito dalle dispense, dalle presentazioni e dagli articoli scientifici forniti o indicati dal docente durante il corso. La letteratura proposta comprenderà articoli di revisione e casi di studio aggiornati riguardanti la sintesi, la funzionalizzazione, la caratterizzazione e le applicazioni biomediche dei nanomateriali inorganici.Modalità Frequenza
La frequenza è obbligatoria. Per poter sostenere l’esame è richiesta la partecipazione ad almeno il 70% delle attività didattiche previste, comprese le eventuali esercitazioni ed esperienze di laboratorio.Modalità Valutazione
L’apprendimento sarà valutato mediante un esame orale individuale. Il colloquio verterà su almeno tre differenti aree del programma e potrà comprendere la discussione di dati, grafici, spettri o immagini di microscopia relativi alla caratterizzazione di un nanosistema. La valutazione terrà conto: della conoscenza dei contenuti; della correttezza scientifica e dell’uso della terminologia; della capacità di mettere in relazione composizione, struttura, proprietà e funzione; della capacità di selezionare e discutere criticamente le tecniche di caratterizzazione; dell’autonomia di giudizio nella progettazione di un sistema di drug delivery; della capacità di considerare gli aspetti di biocompatibilità, sicurezza e trasferibilità clinica. Il superamento dell’esame richiede la conoscenza dei concetti fondamentali e la capacità di descrivere almeno un sistema di drug delivery basato su nanomateriali inorganici. Le valutazioni più elevate saranno attribuite agli studenti capaci di integrare criticamente aspetti chimici, fisici, biologici e applicativi.