Il corso si propone di introdurre gli elementi di base per lo studio di sistemi sperimentali di interesse biotecnologico e dei Bioreattori per la medicina rigenerativa.

The course aims to introduce the basic elements for the study of experimental systems of biotechnology interest and the bioreactors for Regenerative Medicine.

Il modulo Applicazioni Biotecnologiche [1] si propone di fornire allo studente gli elementi conoscitivi a livello molecolare e cellulare dei sistemi biologici eucarioti e le basi teoriche delle applicazioni di tecniche biotecnologiche nei campi della diagnostica e della produzione di farmaci, con particolare riferimento alle metodiche sperimentalmente rilevanti per l'analisi degli acidi nucleici e delle proteine.

L’insegnamento di Bioreattori [2] ha lo scopo di fornire agli allievi strumenti ingegneristici utilizzabili per affrontare la progettazione di un sistema di coltura cellulare in condizioni dinamiche, sterili e controllate. Vengono identificate le specifiche generali di progetto dei bioreattori e le specifiche particolari finalizzate quindi all'applicazione biologica (tessuto osseo, tessuto muscolare, tessuto vascolare...). Gli strumenti forniti sono legati ai materiali/biomateriali utilizzati, alle tecnologie di lavorazione, alla componente cellulare, ai metodi matematici fino alla identificazione della architettura del sistema complessivo. L’insegnamento intende, inoltre, sviluppare negli allievi le capacità di identificare, di formulare correttamente e di risolvere problemi che si incontrano nella progettazione di dispositivi nel campo della ingegneria dei tessuti biologici. Nel corso dell’insegnamento verranno, infine, portati in aula bioreattori reali e utilizzati nella medicina rigenerativa al fine di poter illustrare aspetti più propriamente progettuali di funzionamento. Durante le esercitazioni gli allievi affronteranno la progettazione di un nuovo bioreattore per l'ingegenria dei tessuti biologici.

A seguito del superamento dell'esame, lo studente:

• sarà in grado di spaziare tra struttura e funzione di acidi nucleici e proteine;
• avrà acquisito nozioni dettagliate sull’organizzazione delle (macro)molecole in cellule e tessuti;
• conoscerà il principio di funzionamento e l’ambito applicativo, nonché pregi e difetti delle principali tecniche biotecnologiche utilizzate in laboratorio;
• avrà acquisito i fondamentali per poter applicare con profitto le tecniche trattate a problematiche laboratoriali;
• avrà acquisito un lessico scientifico corretto e adeguato per poter discutere degli argomenti specifici del corso con bioingegneri, biologi, biotecnologi e medici;
• conosce in modo critico i concetti fondamentali dell'ingegneria dei tessuti biologici, legati alla sterilità del processo, allo scaffold e alla componente cellulare;
• è in grado di formulare e risolvere problemi ingegneristici relativi alla progettazione di dispositivi di coltura dinamica e alla loro interazione con il tessuto in crescita;
• possiede metodi e strumenti per affrontare problemi di progettazione meccanica, idraulica ed elettronica nella realizzazione un bioreattore per la medicina rigenerativa.

Il modulo Applicazioni Biotecnologiche [1] si propone di introdurre gli elementi di base per lo studio di sistemi sperimentali di interesse biotecnologico.

• Differenze tra eucarioti e procarioti: la compartimentazione. Il dogma centrale della biologia molecolare: cenni sulla trascrizione e la traduzione. Struttura e funzione dei principali biopolimeri cellulari eucariotici quali RNA (mRNA, tRNA, rRNA), DNA (genoma, cromosomi, cromatina e geni), proteine (struttura I°, II°, III°, IV°). Sintesi, folding e degradazione delle proteine. Genotipo e fenotipo cellulare. La segnalazione cellulare. Il metabolismo cellulare. Il ciclo cellulare (fasi G1, S, G2, M) e le cellule quiescenti/senescenti (G0). La mitosi. I fattori di crescita. Sincronizzazione del ciclo cellulare. Cenni sulla meiosi.
• Cenni sui principali sistemi sperimentali di interesse biotecnologico: cellule eucarioti in colture. Cellule primarie e linee cellulari. La morte cellulare: l'apoptosi e la necrosi. Tecniche di fusione cellulare (ibridomi) e principali applicazioni: la produzione di anticorpi monoclonali (mAbs). Differenze tra mAbs e anticorpi policlonali e tra anticorpi I° e II°. L’utilizzo degli anticorpi nelle tecniche Western Blot, Saggio Immuno-Assorbente legato ad un Enzima (ELISA), citofluorimetriche e immunofluorescenza (immunoistochimica – IHC e immunocitochimica – ICC) per la rilevazione di marker cellulari (Cluster of Differentiation - CD). Procedure di estrazione delle proteine da campioni biologici. Tecniche cromatografiche e elettroforetiche (SDS-PAGE) per la separazione e/o purificazione delle proteine. Il sequenziamento peptidico. Esempi pratici tratti dalla bibliografia scientifica.
• Metodi per il trasferimento genico (trasfezione e trasduzione) in cellule eucarioti e terapia genica. Il clonaggio del DNA mediante vettori di clonaggio. Trasfezioni transienti. I geni reporter. Over-espressione genica e silenziamento. Metodi chimici (polimeri e lipidi cationici) e fisici (microiniezione, magnetofezione, sonoporazione, elettroporazione e gene gun) per trasfettare. Valutazione della trasfezione: efficienza di trasfezione e citotossicità. Parametri chimico-fisici rilevanti per la valutazione di un trasfettante: il rapporto di carica, le dimensioni e la carica delle particelle. Esempi pratici tratti dalla bibliografia scientifica. Estrazione purificazione degli acidi nucleici, PCR, PCR in tempo reale e metodi di sequenziamento. Enzimi di restrizioni, ligasi e fosfatasi. Esempi pratici tratti dalla bibliografia scientifica.

I principali argomenti trattati nel modulo di Bioreattori [2] sono:

L’eredità delle caratteristiche biologiche: alterazioni del messaggio genetico;

Cenni di biologia cellulare. Lo sviluppo embrionale: crescita, differenziamento e morfogenesi. I tre paradigmi della biologia dello sviluppo.

Coltura e ingegnerizzazione di cellule e tessuti, metodi ingegneristici per lo sviluppo in vitro di tessuti ingegnerizzati, parametri di progettazione di tessuti ingegnerizzati in vitro. Lo stato di sforzo generato sulle cellule in coltura perfusa, la stimolazione meccanica, elettrica e magnetica di costrutti cellulari ingegnerizzati.

Progettazione del medium; ingegneria dei bioreattori; cinetica delle colture cellulari nei bioreattori; valutazione dell’efficienza dei bioreattori.

Ingegneria dei processi di coltura cellulare: strumentazione on-line e controllo di processo, apporto dinamico di nutrienti, ritenzione cellulare e perfusione, effetti della variazione dimensionale dei bioreattori. Progettazione e realizzazione e utilizzo di bioreattori per vasi, cartilagine, ossa, muscoli.

Applicazioni cliniche della medicina rigenerativa (Ingegneria della cute, Ingegneria della cartilagine, Ingegneria del tessuto osseo).

Aspetti etici e normativi della medicina rigenerativa.

E’ richiesto il possesso di una buona preparazione di base (a livello di corsi di laurea triennale) in Matematica, Fisica, Bioingegneria Chimica, Biomateriali.

L'esame del modulo di Applicazioni Biotecnologiche [1] è condotto secondo le seguenti modalità:

prima prova scritta della durata di 45 min (15 quesiti a risposta multipla, punteggio minimo per il superamento della prima prova: 9/15. +1 riposta corretta; 0 nessuna risposta; -0.5 risposta sbagliata), seguita da una seconda prova scritta a domande aperte della durata di 45 min (punteggio minimo per il superamento della seconda prova: 9/16) su aspetti teorici e pratici del corso. Condizione necessaria per l’ammissione al secondo scritto è il superamento della prima prova. Entrambe le valutazioni si considerano superate con punteggio minimo di 9. Il voto finale del modulo Applicazioni Biotecnologiche [1] è dato dalla somma della valutazione delle due prove. Se entrambe le prove hanno avuto esito positivo, lo studente può (facoltativo) sostenere la prova orale con attribuzione di un punteggio di +/- 2 punti sul voto finale della valutazione scritta.

Non è previsto lo svolgimento della prova in itinere.

In sede di esame finale lo studente deve dimostrare di:

• conoscere i fondamenti teorici degli argomenti trattati durante il corso;
• conoscere e saper applicare le tecniche oggetto del corso a problematiche laboratoriali;
• saper gestire risorse e tempi per il completamento del compito assegnato.

L'esame del modulo di Bioreattori [2] è condotto secondo le seguenti modalità:

1) prova scritta (della durata indicativa di una ora)  il giorno dell’appello d’esame con domande di teoria e su problemi progettuali;

2) l’esame non prevede parti orali.

In sede di esame finale lo studente deve dimostrare di essere in grado di:

• applicare metodi e strumenti propri della materia per affrontare e risolvere i problemi proposti (analisi del problema, proposta dello schema di risoluzione, giustificazione delle scelte)
• rispondere alle domande proposte su aspetti teorici (discussi nel corso dell’insegnamento).

Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:

- capacità di analisi dei problemi;

- correttezza formale e sostanziale delle procedure individuate per la soluzione dei problemi;

- correttezza dei risultati ottenuti;

- conoscenza e comprensione degli argomenti;

- adeguatezza del linguaggio tecnico-scientifico utilizzato;

- autonomia di giudizio.

I voto finale del corso integrato conseguito dallo studente è la media delle valutazioni ottenute in ciascun modulo.