Nanotecnologia

Obiettivi

Obiettivo di rilevante interesse per il CNR-NANOTEC all’interno del progetto Tecnopolo è dare impulso alla ricerca del settore della medicina di precisione attraverso lo sviluppo di approcci diagnostici e terapeutici basati sulle nanotecnologie per applicazioni nei settori dell’immuno-oncologia e delle malattie neurodegenerative. Creare quindi un ambiente favorevole alla formazione di una nuova generazione di “medici-nanotecnologi" educata all’interfaccia tra ricerca di base e clinica, incoraggiare la nascita e lo sviluppo delle imprese locali del settore, attrarre opportunità finanziarie e di investimento su scala nazionale ed internazionale.

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Linee di ricerca

Linea 1 Organ on chip

Gli Organ-on-a-chip, conosciuti anche come sistemi microfisiologici (MPS) rappresentano modelli di coltura cellulare in vitro microingegnerizzati, capaci di riprodurre in laboratorio funzioni chiave di uno o più organi.

Combinando i vantaggi relativi a tecnologie diverse (microfabbricazione 3D, ingegneria tissutale, scienze dei materiali, nanotecnologie e microfluidica), microambienti cellulari artificiali possono essere progettati e opportunamente realizzati per simulare con alta precisione l’organizzazione spaziale di più tipologie cellulari ed i relativi stimoli (chimici, biologici, meccanici, elettrici) che le cellule costantemente ricevono nel nostro corpo.

Questi sistemi si pongono un duplice obiettivo. Da un lato, si presentano come modelli fisio/patologici capaci ad aiutare la ricerca di base a comprendere i meccanismi molecolari e cellulari specifici di un determinato organo e/o di una specifica malattia.

Dall’altro lato, si propongono come valide piattaforme per la ricerca pre-clinica, in grado di produrre, in molti casi, dati fisiologici preclinici di miglior qualità rispetto ai convenzionali modelli animali, spesso dimostratisi poco predittivi in termini di efficacia e tossicità di nuove molecole nell’uomo.

Inoltre, integrando in tali sistemi cellule derivate da paziente, come ad esempio cellule pluripotenti indotte (iPSCs) capaci di generare una moltitudine di tipologie cellulari, ed anche sfruttando le nuovissime tecniche di gene-editing, questi sistemi permetteranno di ottenere una replica in vitro di un singolo paziente in miniatura (patient-on-a-chip) per scopi diagnostici e terapeutici personalizzati.

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Figura: Cellule umane di origine neuronale coltivate in un dispositivo organ-on-a-chip per lo studio dei meccanismi molecolari alla base di malattie neurodegenerative (immagine di microscopia ottica in campo chiaro, sinistra, e a fluorescenza, destra).

Linea 2 Imaging avanzato

All’interno di questa piattaforma vengono sviluppate tecniche di imaging avanzato che vengono applicate trasversalmente a diversi problemi scientifici nel campo della medicina di precisione. La possibilità ambiziosa di ottenere immagini 3D della complessa rete neuronale e vascolare insieme con le cellule rilevanti per la malattia, preservando la chimica dei tessuti, non è realizzabile con tecniche convenzionali indirette come l’immunoistochimica.

La risonanza magnetica aiuta ad aggirare questi problemi, ma è limitata dalla risoluzione spaziale di pochi mm, diverse decine di micron negli studi preclinici. La tomografia a raggi X supera i limiti di risoluzione spaziale; tuttavia non riesce a visualizzare i tessuti molli. La tomografia a contrasto di fase a raggi X (XPCT), risolve il problema e rende possibile l'imaging biomedico 3D su più scale di lunghezza che vanno dalle cellule all'intero organo, senza alterazioni dei tessuti.

XPCT sta rapidamente guadagnando importanza nelle indagini sulle malattie neurodegenerative. All’interno di questa piattaforma verranno sfruttate le capacità della XPCT per studi pre-clinici nel campo della SLA e dell’Alzheimer. Parallelamente verranno applicate altre tecniche complementari di imaging convenzionale per poi arrivare ad un imaging correlato. La piattaforma si articola in 5 tasks.

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Linea 3 Nanosistemi per il rilascio controllato di biomolecole e farmaci

Gli approcci nanotecnologici nei sistemi di delivery possono migliorare la somministrazione di specifici agenti terapeutici, come fattori di crescita, proteine, peptidi, DNA, RNAi e farmaci che sono di vitale importanza per diverse applicazioni che vanno dalla cancer therapy alla gene therapy.

In generale, i sistemi a rilascio controllato sono in grado di somministrare molecole biologicamente attive nel dosaggio ottimale per lunghi periodi, aumentando così la loro efficacia terapeutica, massimizzando la compliance del paziente.

Inoltre, utilizzando nanoparticelle si può andare a migliorare la capacità di utilizzare farmaci tossici, scarsamente solubili o relativamente instabili.

In particolare, i nanosistemi di delivery studiati nell’ambito del Tecnopolo, saranno prodotti a partire da materiale organico ed inorganico biocompatibile e biodegradabile con specifiche funzionalità che permettono il rilascio controllato del cargo terapeutico quando soggetti a stimoli intra ed extracellulari, quali pH, forza ionica, temperatura, etc.

Tali sistemi, una volta sintetizzati verranno caratterizzati da un punto di vista chimico-fisico tramite analisi spettroscopiche, analisi morfologiche utilizzando sistemi di acquisizione di immagini quali AFM, SEM, TEM, microscopia a fluorescenza e confocale.

La validazione dell’efficacia di carico e rilascio di tali nanosistemi verrà validata in vitro su modelli cellulari sia tumorali che normali, e successivamente in modelli pre-clinici.

Nel loro insieme i risultati che si otterranno porteranno allo sviluppo di nuovi sistemi di somministrazione mirata che avranno il potenziale di aprire nuove vie per il rilascio controllato di molecole biologicamente attive per applicazioni in campo oncologico e neurologico.

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Nanoparticelle polimeriche.

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Fluorescent images of glioblastoma cells after 24 hours of incubation with camouflage NPs (green). DAPI (blue) are shown the nuclei. Scale bar: 25 µm (Palamà IE, unpulished results).

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