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Nanomedicina

13 ottobre 2016

Nanomedicina, nanobiotecnologia, drug delivery, biosensori e diagnostica

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Le nanotecnologie e i materiali avanzati aumentano l’efficacia di terapie e diagnosi per malattie importanti. Tuttavia la sfida maggiore consiste nella transizione dalla validazione in laboratorio all’effettiva applicazione clinica. Terapie e diagnosi innovative ed efficaci richiedono processi di produzione efficienti, in grado di fornire nuovi prodotti e servizi.
La nanomedicina è un settore multidisciplinare, che include nanotecnologie, scienze dei materiali, ricerca biomedicale e che coinvolge medici, industriali ed esperti della regolamentazione.
Questa sessione tratterà di: nanotecnologie, nanomateriali e strumentazioni destinati alla nanomedicina (diagnostica, terapia, profilassi,…), tossicità e sicurezza dei nanomateriali.

ore 14.00

Introduzione a cura del moderatore

Agnese Molinari, Istituto Superiore di Sanità

ore 14.05

Functionalized magnetic nanoparticles: a useful tool in the early diagnosis and therapy of tumors

Claudio Sangregorio, CNR-ICCOM and INSTM

Claudio Sangregorio (orcid.org/0000-0002-2655-3901) graduated in Chemistry at the University of Florence, magna cum laude and obtained the Ph. D degree in Material Science at the same institution. After a post-doctoral stage at the Advanced Materials Research Institute, (USA) he came back to Italy, where he got a position at the ICCOM Institute of the C.N.R.. His scientific interests are in the field of nanomagnetism, and particularly in the synthesis and characterization of the structural and magnetic properties of novel nanomaterials based on metal transition oxide or metal particles. He has co-authored more than 180 scientific articles on peer-reviewed international journals of chemistry, physics and material science (h-index 44) and his work has been presented to several international conferences. He is member of the Directorial Board of AIMagn – Società Italiana di Magnetismo.

In the last decades magnetic nanoparticles (NPs) have demonstrated a great potential for biomedical applications, the interest extending onto many areas, including contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI), drug targeting, diagnostics, molecular biology, cell separation and purification, and hyperthermia therapy. This kind of system is indeed an excellent candidate for the realization of a new class of theranostic agents, which offer the great advantage of combining the therapeutic effect of targeted drug-delivery with hyperthermia and enhanced relaxometric properties, thus allowing for tracking the path and the deposition of the NPs inside human body and tumour cells by MRI. Such innovative and multi-fold anticancer materials can be realized through the proper functionalization of the magnetic core with a biocompatible shell, which can include one or more biologically active molecules, like drugs, antibodies or small peptides.
In this contribution we will review the state-of-the-art of the application of this class of materials and discuss the future perspectives for a more extended use in the early diagnosis and therapy of tumors.

ore 14:25

Magnetic particles in biomedicine

Alessandro Lascialfari, Professore Ordinario – Dipartimento di Fisica, Università degli studi di Milano

Alessandro Lascialfari è professore ordinario presso l’Universita’ degli studi di Milano, dove insegna Fisica per gli studenti della Facolta’ di Farmacia, e Fisica Medica, Metodologie di Fisica  Applicata e Termodinamica per gli studenti di Fisica. E’ docente anche di corsi di Risonanza Magnetica per Immagini (MRI) per studenti della scuola di specializzazione in Fisica Medica e del corso di dottorato in Fisica di UNIMI, e del corso “Tecniche Diagnostiche II” per la laurea magistrale in Fisica  di UNIPV. Ha condotto la sua attivita’ di ricerca, oltre che presso UNIMI, anche all’Universita’ di Pavia, presso il CNR-INFM, presso INSTM, all’Universita’ di Firenze e all’estero. E’ coautore di piu’ di 190 lavori su riviste internazionali. E’ referee di prestigiose riviste internazionali. E’ stato membro di Comitati organizzatori di Conferenze internazionali ed e’ stato invitato a tenere piu’ di 50 contributi orali a congressi e workshops nazionali ed internazionali. L’attivita’ di ricerca e’ stata condotta con l’uso di tecniche NMR, magnetometria SQUID, calorimetria, MUSR, Ipertermia Magnetica, MRI, AFM. Ha ottenuto importanti risultati nello studio delle proprieta’ magnetiche e della dinamica di spin in superconduttori, sistemi magnetici basso-dimensionali e agenti teranostici  nanometrici, tramite l’uso delle suddette tecniche. Ha collaborato con industrie per lo sviluppo di nuovi composti, protocolli e bobine MRI.

In the last two decades, a lot of attention was devoted to novel multifunctional nanostructures based on magnetic nanoparticles (MNP) useful as agents for Magnetic Resonance Imaging, Optical Imaging and Magnetic Fluid Hyperthermia, as carriers for drugs and molecular targeting vectors. Many systems reported by different research groups, showed high nuclear relaxivities, i.e. high efficiency in MRI contrast, and high Specific Absorption Rate (SAR). For some compounds, the possibility to collect images of the regions where the MNP are delivered through MRI and Optical Imaging, is joint to the use of radio-frequency fields that can heat locally the tumour cells, possibly inducing their apoptosis or death; a theranostic agent is thus obtained. In the field of drug delivery and molecular targeting, few examples of reproducible experiments using superparamagnetic nanoparticles are actually present in literature. All the above cases, with particular attention to the case of MRI contrast agents and the related nuclear relaxation models, will be briefly introduced and discussed.

ore 14:45

Nel mondo della nanoparticelle: la citotossicità delle nanostrutture di grafene

Annarita Stringaro, Ricercatrice presso Istituto Superiore di Sanità

Dal gennaio del 1991 a tutt’oggi la Dott.ssa Annarita Stringaro lavora presso l’Istituto Superiore di Sanità presso il reparto “Metodi ultrastrutturali per terapie innovative antitumorali” in qualità di ricercatore collaborando a numerosi Progetti di Ricerca. Possiede la specializzazione in “Patologia Clinica” (Università “La Sapienza” di Roma) e il dottorato in “Microbiologia generale e clinica” (Università del Sacro Cuore “Agostino Gemelli”). La Dott.ssa A. Stringaro ha maturato numerose esperienze lavorative           in citofluorimetria a flusso (FACS) e in microscopia ottica ed elettronica sia a trasmissione (inclusione e freeze-fracturing) (TEM) sia a scansione (SEM) e, in particolare, di tecniche immunocitochimiche ultrastrutturali. Tale esperienza è stata applicata nei seguenti studi:

  1. meccanismo di azione a livello subcellulare di agenti antitumorali ed antimicrobici e comprensione del fenomeno della farmaco-resistenza in cellule eucariotiche e microrganismi patogeni;
  2. effetti chemio-sensibilizzanti di prodotti di origine naturale su cellule eucariotiche e microrganismi patogeni;
  3. nanomedicina e nano-microtossicologia associata all’ interazione dei nano-microcarriers con cellule tumorali, cellule del sistema immune (sia murino sia umano) e microrganismi patogeni di varia natura;
  4. infertilità maschile e nuove strategie terapeutiche.

È co-autrice di 80 pubblicazioni scientifiche su riviste nazionali, internazionali (Pubmed-indexed) e di 100 comunicazioni a congresso.

Il grafene, un nuovo nanomateriale bidimensionale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, possiede straordinarie proprietà elettroniche, ottiche, termiche e meccaniche. Con il rapido sviluppo della sintesi e relativa funzionalizzazione, il grafene e i suoi derivati, come le nanoplacchette di grafite (GNP) – nanostrutture costituite da 3-48 strati di grafene, con uno spessore complessivo di 1-15 nm – hanno mostrato un notevole potenziale di applicazione in molti campi. Questa famiglia di nanomateriali si sta proiettando rapidamente anche sul mercato del settore medico, con nuove applicazioni nel campo dell’imaging, della somministrazione dei farmaci e trattamento dei tumori, e ancora nella realizzazione di materiali antibatterici e scaffold per la coltura cellulare. Questo studio si propone di approfondire i vari aspetti dell’interazione di queste nanostrutture grafitiche con diversi sistemi biologici in vitro.

ore 15:05

Impiego dei liposomi  per l’ottimizzazione delle terapie antitumorali

Giuseppina Bozzuto, Ricercatore a contratto, Istituto Superiore di Sanità

Dr Bozzuto Giuseppina graduated “cum laude” in Applied Biology to Biomedical Research at “Sapienza” University in Rome and in the same University received her PhD in Experimental Medicine.

She works as contract researcher at the Department of Technology and Health of the Istituto Superiore di Sanità in Rome where she has been gaining experience on cancer cell biology and innovative anticancer therapies. She focuses her research on tumor-cell invasion strategies and mechanisms underlying the multidrug resistance phenomenon and the invasive properties of tumor cells. She also explores the chemosensitizing activity of natural products for anticancer therapy in in vitro studies. In the field of Nanotechnology she carries out the study on the relationships between the ultrastructural characteristics and the biological effects of nanodevices, with particular regards to the intracellular final fate and drug delivery efficiency of             liposomal formulations.

Dr. Bozzuto is author of about 30 publications on national and international journals. She has participated to national and international conferences and workshops with more than 40 comunications. She has given lectures on specialized topics in workshops and postgraduated master courses, and she has received numerous awards and honors. She is member of Italian Society of Cellular Cultures (AICC) and of Italian Society for Microscopical Sciences (SISM).

I liposomi come veicoli di molecole farmacologiche sono considerati ad oggi i nanovettori lipidici di maggior successo: i risultati più importanti sono stati ottenuti con i farmaci antitumorali. Molte formulazioni liposomiali sono già sul mercato, numerose sono in diversi studi di fase clinica.

L’interesse scientifico e industriale dei liposomi nasce dal fatto che essi sono trasportatori altamente biocompatibili, biodegradabili, producibili su larga scala e fortemente versatili, capaci di incorporare e veicolare sia sostanze idrofile che lipofile. La loro composizione può essere modificata e adattata a seconda dei diversi farmaci veicolati e del tipo di rilascio desiderato. In questa relazione verrà descritto, in alcuni esempi, di come è possibile migliorare l’affinità dei liposomi per il tessuto bersaglio modificando la loro composizione, la carica elettrica o anche aggiungendo sulla loro superficie molecole specifiche che favoriscano il legame con la cellula bersaglio.

ore 15:25

Coffee break

ore 15:45

Dispositivi medici nanostrutturati: considerazioni in merito a sicurezza ed efficacia

Giuseppe D’Avenio, Ricercatore, Dip. Tecnologie e Salute, Istituto Superiore di Sanità, Roma

Laurea in Ingegneria Elettronica presso l’Università “La Sapienza” di Roma (1995).
Dal 1996 l’Ing. Giuseppe D’Avenio ha frequentato continuativamente l’Istituto Superiore di Sanità, svolgendo attività di ricerca (attualmente presso il Dipartimento Tecnologie e Salute), illustrata in oltre 160 pubblicazioni. Tale attività ha riguardato in particolare la caratterizzazione fluidodinamica e biomeccanica di dispositivi impiantabili (valvole cardiache protesiche, protesi vascolari, stents). In tale ambito, ha effettuato numerose misurazioni di parametri di interesse fisiologico, utilizzando le attrezzature in dotazione all’I.S.S., nel corso della caratterizzazione di valvole cardiache protesiche, valutando l’effetto della turbolenza generata da tali dispositivi sulla parte corpuscolata del sangue.
Altre attività scientifiche: valutazioni di sicurezza ed efficacia relativamente a dispositivi cardiovascolari impiantabili; studio del livello di soglia per l’emolisi associato al massimo Reynolds shear stress; caratterizzazione fluidodinamica, sia sperimentale che computazionale, della connessione cavopolmonare totale  (TCPC) nel caso di paziente uni ventricolare; applicazione di tecniche di analisi di processi caotici a segnali fisiologici; studio del danno tissutale in protesi valvolari biologiche, mediante analisi quantitativa della birifrangenza lineare associata alla struttura dei lembi valvolari.
Indice H=15 (fonte: Web of Science).

L’attuale quadro regolatorio sui dispositivi medici (DM) è stabilito da alcune Direttive europee, in particolare dalla 90/385/CEE (DM impiantabili attivi) e dalla 93/42/CEE (DM). Nell’ultima revisione (2007) di tali direttive, non c’è menzione di “nanomateriale” o “nanostruttura”. Allo stato attuale esiste quindi un’insufficiente considerazione a livello regolatorio rispetto al rapido emergere di dispositivi medici che fanno uso di nanomateriali. Peraltro, ciò è stato riconosciuto in sede di sviluppo del Regolamento europeo sui DM, di prossima pubblicazione, che pone i DM contenenti nanoparticelle nella classe di rischio più alta, in generale.
Tali DM sfruttano le proprietà uniche dei materiali alle scale nanometriche (p.es., l’alta reattività chimica, e l’alta capacità di penetrazione in compartimenti (sub)cellulari). Il peculiare comportamento della materia alla scala nanometrica rende necessario lo sviluppo di metodiche di valutazione di sicurezza ed efficacia dei DM nanostrutturati.

ore 16:05

Inclusion of antioxidants in mitochondriotropic liposome-based formulations

Cecilia Bombelli, PhD, research scientist at CNR-IMC

Cecilia Bombelli (orcid.org/0000-0003-0877-0504) graduated in Chemistry at the University of Rome “Sapienza” and received his PhD in Chemical Science (2004) at the same university with a thesis entitled: “Liposomes as carriers of drugs”. In the following years she was the owner of four post doctoral research fellowships of the CNR and was responsible for the formulation and characterization of liposomes as membrane models and drug delivery systems. In the academic year 2005-2006 she has deepened interdisciplinary aspects related to drug delivery by attending a Master’s Degree in “Methodologies for research and development of new therapies” of the II Faculty of Medicine and Surgery of the University of Rome “Sapienza”. She is at present research scientist at CNR, Institute of Chemical Methodologies. She was in charge of scientific and technological aspects of two European projects FP7 (2011 and 2012) concerning the use of liposomes as sensors for the analysis of bacteria in drinking water (Proposal: 286601 AQUALITY) and a new methodology for early detection of DPD enzyme deficiency in oncological patients (Proposal: 315398 CARESS). She is the scientific responsible of a research unit in the FIRB project RBFR12BUMH “Role of oxidative stress in the modulation of muscle homeostasis and therapeutic approach by antioxidants delivered by targeted liposomes”. Her scientific interest concerns the formulation of liposomes as drug delivery systems and liposome based sensors.

Fabrizio Ciranna,a Francesca Ceccacci,b Simona Sennato,c Stefano Gallina,a Alessia Ciogli,d Rocchina Sabia,d Cecilia Bombelli.b

aSapienza University, Chemistry Department, P.le A. Moro 5, Roma Italy; bCNR-IMC-Sezione Meccanismi di reazione c/o Chemistry Department, Sapienza University, P.le A. Moro 5, Roma Italy; cCNR-ISC- UOS Sapienza c/o Physics Department, Sapienza University, P.le A. Moro 5, Roma Italy; dSapienza University, Department of Chemistry and Technology of Drug, P.le A. Moro 5, Roma, Italy.

Email of presenting author: cecilia.bombelli@uniroma1.it

Mitochondrial delivery of drugs is a key issue for the treatment of several diseases related to oxidative stress, but it is hampered by the peculiar structure of mitochondrial membranes. With the final goal of delivering resveratrol and trolox, two well-known antioxidants (AO), we developed a mitochondriotropic liposome-based drug delivery system with a core-shell structure, composed of

  1. liposomes, formulated with natural lipids and a cationic triarilphosphonium bolaamphiphile that, because of the “soft” nature of the cationic headgroups, should favor the crossing of the mitochondrial membranes;
  2. a biocompatible polymer coating, decorating the liposome, composed of chitosan and dextran, able to tune the surface properties and potentially functionalizable with proper moieties for the targeting of specific cells.

Two different protocols, i.e passive loading in the lipid bilayer and active loading in the internal aqueous phase, were explored to load the antioxidant into liposomes.

ore 16:25

Microfluidica: applicazioni in ingegneria tissutale

Alberto Rainer, Ricercatore, Università Campus Bio-Medico di Roma

Alberto Rainer si è laureato in Ingegneria dei Materiali presso l’università degli Studi di Trieste, e ha ottenuto il Dottorato di Ricerca in Materiali per l’Ambiente e l’Energia presso l’Università di Roma “Tor Vergata”.

È Ricercatore in Fondamenti Chimici delle Tecnologie presso l’Università Campus Bio-Medico di Roma, dove è titolare dei Corsi di Materiali (Laurea in Ingegneria Industriale) e Bionanotecnologie (Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica).

La sua attività di ricerca si colloca nell’ambito dell’ingegneria tissutale, con particolare riguardo alla sintesi di nanomateriali, allo sviluppo di tecniche di fabbricazione avanzate (additive manufacturing) e allo sviluppo di modelli d’organo in vitro basati su microfluidica.

Le tecniche microfluidiche trovano sempre più largo impiego in ambito biomedicale, con applicazioni nell’ingegneria tissutale che spaziano dalla formatura di scaffold a porosità controllata al bioprinting ad elevata risoluzione. L’impiego della microfluidica per realizzare dispositivi per la coltura cellulare, noto come approccio “cells-on-a-chip”, ha inoltre consentito lo sviluppo di modelli d’organo per studi in vitro di drug discovery e tossicologia. Questi dispositivi consentono una precisa regolazione delle condizioni di coltura, sono compatibili con le moderne tecniche di microscopia “live”, e permettono l’integrazione di stimoli meccanici durante la coltura cellulare.

ore 16:45

Discussione e conclusione

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