Nanomateriali per Drug Delivery

Buona conoscenza della Chimica Generale e Inorganica, della Chimica Analitica e della Chimica Organica

Il corso si svolgerà prevalentemente con lezioni frontali e alcune esercitazioni di laboratorio durante le quali saranno illustrate alcune preparazioni di biopolimeri per il DDS e loro caratterizzazione mediante GPC

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.

È richiesto il superamento dell’esame di Chimica generale e inorganica. Lo studente deve possedere conoscenze di base relative a struttura atomica, legame chimico, stechiometria, equilibri in soluzione, equilibri acido-base, processi redox, solubilità e proprietà generali dei composti inorganici. Sono inoltre utili conoscenze di base di chimica organica, chimica fisica, biochimica e biologia cellulare.

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.

Il modulo comprende 24 ore di attività didattica, svolte prevalentemente mediante lezioni frontali con l’ausilio di presentazioni, schemi, modelli strutturali, articoli scientifici e casi di studio.
Le lezioni saranno integrate da esercitazioni guidate sull’interpretazione di dati sperimentali e da alcune esperienze o dimostrazioni di laboratorio. Queste potranno riguardare la preparazione e dispersione di nanoparticelle inorganiche, la valutazione della stabilità colloidale, misure UV-Vis, DLS e potenziale zeta e l’analisi di dati TEM, SEM, XRD, FTIR, Raman o XPS. Potranno inoltre essere esaminati esempi di determinazione dell’efficienza di caricamento e delle cinetiche di rilascio di un farmaco modello.
La discussione di articoli scientifici consentirà di collegare i principi teorici alla progettazione e alla valutazione critica di nanosistemi reali.

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.

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.