90926 - EMERGING MOLECULAR BIOLOGY IN HEALTH AND DISEASE

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Describe general overviews on stem cell biology Identify the most important solutions and problems arising from some of the most advanced views in cellular signaling, genome function and cellular reprogramming. Identify when progression in basic and translational research can effectively match unmet clinical needs Discuss the mechanisms underlying cell growth and differentiation, with particular reference to the modulation of gene expression, epigenetics, nuclear dynamics and signaling. Critically explain the future perspectives in Regenerative and Precision Medicine. Evaluate the most updated publications within the context of Molecular and Cellular Biology, with particular emphasis to mechanisms underlying cellular commitment and adaptation, reprogramming, and differentiation.

Contenuti

Il Corso si articola complessivamente in 24 Lezioni. Vengono di seguito riportati gli argomenti svolti per ciascuna lezione. La descrizione di tali argomenti intende fornire anche una indicazione del contributo di ciascuna lezione alle conoscenze e abilità da conseguire, come sottolineato nelle Implicazioni Biomediche.
  1. Presentazione del Docente e del Corso. Introduzione al razionale e alle finalità degli argomenti trattati. Illustrazione del programma. Discussione critica con gli Studenti del loro background (in relazione al programma) e degli outcomes attesi. Discussione delle modalità di apprendimento e di esame. Proposta di coinvolgimento degli studenti nello sviluppo di due seminari da loro gestiti, creati a scelta traendo spunto dagli argomenti trattati.
  2. Analisi delle dinamiche fisiche dei microtubuli cellulari. I microtubuli sono entità capaci di oscillazioni meccaniche ed elettromagnetiche. Metodi di studio delle oscillazioni dei microtubuli a livello nanomeccanico ed elettromagnetico: la microscopia a forza atomica (Atomic Force Microscopy - AFM) e l'Hyperspectral Imaging (HSI). Implicazioni biomediche: I microtubuli nella generazione di segnali biofisici.
  3. I microtubuli come network di oscillatori capaci di sincronizzazione e migrazione coordinata. Le dinamiche dei microtubuli nei processi di riconoscimento biomolecolare. Implicazioni biomediche: I microbutuli si comportano come un circuito bioelettornico capace di generare Informazioni.
  4. I microtubuli e le nuove frontiere della meccanobiologia. Le proprietà di "commutazione di memoria" insite a livello di singoli microtubuli. Dinamiche di autoassemblaggio della tubulina e visualizzazione tridimensionale della conduttività elettrica microtubulare mediante microscopia ad effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscopy - STM). I microtubuli come nuova forma di acquaporina. Implicazioni biomediche: I microtubuli e il citoscheletro come circuito bioelettronico capace di memoria e connettività intercellulare. 
  5. Cronobiologia e oscillazioni ritmiche a livello cellulare. Dalle oscillazioni dei microtubuli alle ritmiche oscillazioni del Calcio intracellulare. Il reticolo endoplasmatico, il sistema Inositol-trisfosfato (IP3)/Inositol-tetrafosfato (IP4) e i recettori per la Ryanodine nella generazione di oscillazioni citoplasmatiche del Calcio. Implicazioni Biomediche: I ritmi circadiani sono sostenuti anche a livello cellulare e molecolare. Le ritmiche oscillazioni del Calcio intracellulare viste come input digitalizzato per la generazione di segnali molecolari. 
  6. Cenni introduttivi sull'utilizzo di energie fisiche nella modulazione dei destini cellulari. Vibrazioni Meccaniche, Onde d'Urto, Campi Elettromagnetici, Fotobiomodulazione. Implicazioni biomediche: premesse alla riprogrammazione di cellule staminali e somatiche mediante energie fisiche. Nuovi approcci in Medicina Rigenerativa e di Precisione.
  7.  Il traffico nucleare di segnali molecolari. Il complesso del poro nucleare. RAN-TC e Carioferine. L'importo nucleare di fattori di trascrizione e proteine kinasi: preludio alla regolazione epigenetica e al rimodellamento della cromatina e della trascrizione genica. Implicazioni Biomediche: Il nucleo come "portale" di integrazione di segnali biofisici essenziali nella regolazione della biologia cellulare.
  8.  Recettori e segnali nucleari. La regolazione cellulare "Intracrina". Correlazione con meccanismi endocrini, paracrini e autocrini. Implicazioni delle dinamiche intracrine nella regolazione della crescita e del differenziamento cellulare. Implicazioni biomediche: il mondo intracrino nell'omeostasi cellulare e nella insorgenza di condizioni patologiche (malattie degenerative, neoplasie).
  9.  Il mondo degli esosomi. La fabbrica delle nanovescicole. Differenze rispetto alle microvescicole. Gli esosomi come shuttle di fattori di trascrizione, miRNA, Long-chian RNA e DNA. Il concetto di "one component - multiple targets" legato alla segnalazione intracrina degli esosomi. Analisi delle strutture fisiche degli esosomi mediante AFM. Implicazioni biomediche: gli esosomi come vettori di pacchetti di informazioni nella comunicazione intercellulare. Sfatare un dogma: rendere possibile il traffico di peptidi attraverso le membrane cellulari.
  10. Il mondo intracrino nella regolazione delle biologia cellulare staminale. Endorfine, modulazione intracrina e cardiogenesi. Esteri misti di acido ialuronico con acido butirrico e retinoico (HBR). Il primo intracrino di sintesi. Implicazioni biomediche: sintesi di molecole con logica differenziativa e intracrina per nuovi approcci di medicina rigenerativa cardiovascolare.
  11. Il sistema Hedgehog. Una via di segnalazione molecolare intimamente connessa alle dinamiche fisiche dei microtubuli e al traffico nucleare di segnali molecolari. Hedgehog signaling e ciglio primario. Dinamiche fisiche del ciglio primario: il GPS cellulare che guida l'orientamento e la polarità di cellule somatiche e staminali nel corso dell'embriogenesi e della riparazione tissutale. Implicazioni biomediche: Hedgehog, un sistema conservato dagli anfibi all'uomo, utilizzabile per attivare la rigenerazione miocardica nei mammiferi adulti. 
  12. Hippo Pathway e YAP/TAZ: un sistema in cui vedere il costante interscambio tra stimoli chimici e fisici endogeni nella regolazione dell'omeostasi cellulare. Convergenza su Hippo Pathway e YAP/TAZ di miRNA che inducono la rigenerazione cardiaca. Il sistema Hippo Pathway e YAP/TAZ promuove il differenziamento cardiaco di cellule staminali agendo come sensore fisico della nanostruttura e della nanomeccanica dell'ambiente intracellulare. Implicazioni biomediche: Hippo Pathway e YAP/TAZ stanno diventando il target di energie fisiche (meccaniche ed elettromagnetiche) per promuovere e guidare il differenziamento staminale e la rigenerazione tissutale.
  13.  Regolazione della trascrizione. Rimodellamento fisico della cromatina: DNA bending e DNA loops alla guida del movimento e della velocità di scorrimento del complesso dell'RNA polimerasi. I fattori di trascrizione: Zinc Fingers, Nuclear Hormone Receptors (NHR), Homeodomains, e Leucine Zippers. Implicazioni nel differenziamento e nel mantenimento dell'identità cellulare. Fosforilazione di fattori di trascrizione e loro importo nucleare. I fattori di trascrizione agiscono come attuatori di forze meccaniche all'interno della  macchina trascrizionale. Implicazioni biomediche: la nanomeccanica dei processi trascrizionali è una delle nuove frontiere della regolazione epigenetica e della medicina rigenerativa.
  14. Wide-ranging transcriptional profiling. DNA microarrays. Serial Analysis of Gene Expression (SAGE). Implicazioni biomediche: L'analisi trascriozionale su vasta scala offre la possibilità di comprendere meccanismi implicati in eventi fisiologici complessi, quali il differenziamento di cellule staminali, la rigenerazione tissutale e la crescita cellulare normale o patologica.
  15. La nicchia vasculo-stromale: una nanotopografia in cui segnali chimici e fisici si fondono per modulare la biologia delle cellule staminali. Utilizzo di forze meccaniche deboli per la processazione del tessuto adiposo autologo in preparati microframmentati capaci di preservare la componente staminale nel contesto di una nicchia vasculo-stromale intatta. Implicazioni biomediche: sviluppi di derivati del tessuto adiposo pronti per l'uso autologo in medicina rigenerativa. La nostra esperienza in medicina rigenerativa ortopedica, vascolare e odontoiatrica.
  16. Utilizzo di campi radioelettrici opportunamente convogliati nella modulazione del destino delle cellule staminali. La nostra esperienza in medicina rigenerativa: dalla reversibilità del processo di senescenza staminale, all'induzione di cardiogenesi, neurogenesi, vasculogenesi e miogenesi scheletrica. Utilizzo di campi elettromagnetici nella riprogrammazione diretta di cellule somatiche umane adulte. Implicazioni biomediche: Parte A - Utilizzo di energie fisiche per la riprogrammazione in situ di cellule staminali e lo sviluppo di una medicina rigenerativa senza trapianto di cellule e tessuti.  
  17. Utilizzo di vibrazioni meccaniche subsoniche e acustiche per la modulazione del potenziale differenziativo di cellule staminali umane adulte. La nostra esperienza nella acquisizione di processi nanomeccanici vibrazionali cellulari mediante Atomic Force Microscopy (AFM) e Hyperspectral Imaging (HSI) in cellule staminali e nello sviluppo di attuatori meccanici per l'induzione di specifici differenziamenti cellulari. Implicazioni biomediche: Parte B - Utilizzo di energie fisiche per la riprogrammazione in situ di cellule staminali e lo sviluppo di una medicina rigenerativa senza trapianto di cellule e tessuti.
  18. Utilizzo di Onde d'Urto (Shock Waves) nella modulazione del differenziamento di cellule staminali in vitro e nella riparazione di tessuti danneggiati in vivo. L'esperienza clinica in ambito ortopedico (rigenerazione ossea, cartilaginea e guarigione di non-healing fractures), nello scompenso cardiaco e nell'ischemia periferica. Implicazioni biomediche: Parte C - Utilizzo di energie fisiche per la riprogrammazione in situ di cellule staminali e lo sviluppo di una medicina rigenerativa senza trapianto di cellule e tessuti.
  19. Fotobiomodulazione. I cromofori e le Opsin-Like Molecules: elementi di recente scoperta coinvolti nella trasduzione del segnale molecolare, nei processi morfogenetici e di autorigenerazione tissutale. Evidenze scientifiche in vitro ed in vivo. L'esperienza in modelli animali di danno cerebrovascolare, traumatico o secondario a patologie neurodegenerative, nello scompenso cardiaco e nei traumi spinali. Utilizzo della Fotobiomodulazione come alternativa diagnostica avanzata. Implicazioni biomediche: Parte D - Utilizzo di energie fisiche per la riprogrammazione in situ di cellule staminali e lo sviluppo di una medicina rigenerativa senza trapianto di cellule e tessuti.
  20. Nano- e micro-circuiti elettronici nel trattamento di lesioni spinali irreversibili. Il supporto di una nuova sensoristica e dell'intelligenza artificiale. Implicazioni biomediche: verso la creazione di ibridi uomo-macchina in medicina rigenerativa: prospettive e timori.
  21. La normativa vigente in tema di sviluppi e applicazioni cliniche di strategie di riparazione tissutale, medicina rigenerativa e medicina di precisione. Le normative Europea e USA a confronto. I concetti di Advanced Therapy Medicinal Products (ATMPs), current Good Manufacturing Practice (cGMP), Cell Factories e Biobanche. Implicazioni Biomediche: Medicina Rigenerativa e la necessità di colmare un vuoto informativo, spesso anche tra gli addetti ai lavori: conoscere le normative vigenti Europee ed ExtraEuropee che regolamentano quanto sia lecito e consentito applicare all'essere umano.
  22. I Seminario condotto da gruppi di Studenti su tematiche scelte traendo spunto dagli argomenti trattati. Il Docente interverrà al termine per sviluppare una discussione critica collegiale dei lavori svolti dagli Studenti.
  23. II Seminario condotto da gruppi di Studenti su tematiche scelte traendo spunto dagli argomenti trattati. Il Docente interverrà al termine per sviluppare una discussione critica collegiale dei lavori svolti dagli Studenti.
  24. Conclusione del Corso. Discussione finale e chiarimenti sugli argomenti svolti.

Testi/Bibliografia

Materiale di lettura e bibliografico verrà fornito per tutta la durata del Corso, durante le lezioni, depositato e reso disponibile su IOL. 

Metodi didattici

  • Presentazioni a mezzo di computer.
  • Discussione di scoperte sperimentali.
  • Seminari, particolarmente focalizzati su nuovi approcci in Medicina Rigenerativa.
  • Presentazione e discussione di principali scoperte e conclusioni derivate da Meeting Internazionali, coerenti con lo scopo, i contenuti e gli esiti del Corso. 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

  • Presentazioni assistite da computer.
  • Discussione alla fine di ogni lezione.
  • Discussione di scoperte sperimentali.
  • Domande e sottolineature.
  • Seminari, particolarmente focalizzati su nuovi approcci in Medicina Rigenerativa.
  • L'esame finale verterà su argomenti trattati nel corso delle lezioni e prevederà la presentazione di una tesina dal computer, in idoneo formato (PPTX, Keynote, pdf).
  • Il raggiungimento da parte dello Studente di una visione organica delle tematiche sviluppate durante il Corso, assieme ad una capacità di analisi critica degli argomenti appresi, e allo sviluppo di una personale narrativa, verranno valutati con voti di eccellenza.
  • La manifestazione di una conoscenza per lo più mnemonico/descrittiva degli argomenti trattati a lezione, unitamente a capacità di analisi e di sintesi non articolate e sviluppate attraverso una narrativa non sempre precisa e corretta, porteranno a valutazioni discrete.
  • L’evidenza di lacune formative, in presenza di carenze nei processi di analisi e sintesi degli argomenti richiesti nel corso dell’esame, condurranno ad un giudizio di sufficienza qualora persistano evidenze di una conoscenza minimale del materiale d’esame.
  • Rilevanti lacune formative, unitamente a linguaggio inappropriato e mancanza di orientamento nel contesto degli argomenti trattati e dei materiali formativi e bibliografici offerti durante il Corso, non potranno che essere valutati negativamente.

Strumenti a supporto della didattica

  • Presentazioni power point.
  • Discussione critica di ricerche personali e review articles.
  • Letture critiche di studi pubblicati da altri Autori.
  • Presentazione di filmati tratti da meetings internazionali.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Carlo Ventura