Laboratorio di nanotecnologie

Presso l’Istituto Scientifico di Pavia, si svolge la ricerca di base e applicata nel campo della nanotecnologia in ambito medico. L’obiettivo principale della medicina è sempre stato la diagnosi precoce ed accurata delle condizioni cliniche del paziente, ed immediatamente dopo l’attuazione di un efficace trattamento delle stesse senza effetti collaterali: con lo sviluppo delle nanotecnologie, e della nanomedicina in particolare, tale risultato sembra molto vicino. Pertanto, l’attività di ricerca che viene svolta in questo laboratorio si riferisce alle seguenti tematiche principali:

• L’applicazione della nanotecnologie nello spazio;
• L’applicazione delle nanotecnologie nella diagnosi e terapia dei tumori;
• L’applicazione delle nanotecnologie per la rigenerazione tissutale;
• L’applicazione delle nanotecnologie per la riduzione dell’infezione batterica.

Gli obiettivi dell’attività principali appena indicati di questo laboratorio, afferente al Dipartimento di Medicina Occupazionale, Tossicologia e Rischi Ambientali di ICS Maugeri, riguardano nello specifico:

• la nanotecnologia applicata allo sviluppo di nanosistemi che possano essere utilizzati nello spazio, quindi nell’ambito della microgravità, per studiare contromisure efficaci contro l’osteoporosi indotta dalla microgravità con potenziali ricadute anche in ambito terrestre;
• l’applicazione delle nanotecnologie per la produzione e la caratterizzazione in ambito biologico di sistemi con dimensioni nanometriche comprese nell’intervallo 10-200 nm in forma di nanoparticelle o in forma di nanotubi di carbonio;
• l’applicazione delle nanotecnologie nella rigenerazione tissutale e nello sviluppo di appropriati scaffold di diversa natura (metallici, polimerici naturali e sintetici et al.) con superfici nano e micrometriche;
• le nanotecnologie applicate alla riduzione delle infezioni batteriche. In questi ultimi anni il controllo delle infezioni associate all’impianto di dispositivi medici è diventato piuttosto difficile in seguito allo sviluppo di ceppi batterici resistenti al trattamento antibiotico e richiede lo sviluppo di protesi che abbiano proprietà antibatteriche.
• Il laboratorio svolge anche specifiche analisi di attività antibatterica e antibiofilm su materiali di diversa tipologia e allestisce studi di biocompatibilità cellulare.

Inoltre, il gruppo di ricerca partecipa alle seguenti cost action europee:

• Cost Action TD 1204: modena - Modelling the Toxicity of Nanoparticles (2013-2017) - http://www.iom-world.org.
• Cost Action MP 1206: Electrospun Nano-Fibres for Bio Inspired Composite Materials and Innovative Industrial Applications (2013 - 2017) - www.electrospinning-cost.eu;
• Cost Action BM 1309: EMF-MED - European network for innovative uses of EMFs in biomedical applications. (2014-2018) (http://www.cost.eu/COST_Actions/bmbs/ Actions/BM1309);
• Cost Action iPROMEDAI TD1305 (2014-2018) (http://www.cost.eu/COST_Actions/TDP/Actions/TD1305).

Le principali tematiche di ricerca scientifica riguardano le applicazione della nanotecnologia alla medicina e ciascuna di esse risulta suddivisa in sottotematiche come riportate qui di seguito:

• L’applicazione delle nanotecnologie in ambito spaziale:
  •  produzione e caratterizzazione di nanoparticelle di nanoidrossipatite e di nanoidrossiapatite arricchite in stronzio come contromisura alla osteoporosi indotta dalla microgravità sul processo proliferativo e differenziativo di osteoblasti e osteoclasti umani;
  • valutazione delle stesse condizioni sperimentali in microgravità simulata con il “random positioning machine” (RPM);
  • analisi dei campioni che sono stati sulla stazione sperimentale spaziale mediante “RNA sequencing (RNA-Seq)”.
• L’applicazione delle nanotecnologie nella diagnosi e terapia dei tumori:
  •  caricamento di nanoparticelle polimeriche con farmaci e valutazione del rilascio in condizioni fisiologiche e valutazione in vitro della sua efficacia nella eliminazione di cellule tumorali;
  •  purificazione di nanotubi di carbonio multistrato, loro funzionalizzazione e successivo studio di biocompatibilità con linee di cellule tumorali e macrofagi; coniugazione con farmaci antitumorali e studio del loro rilascio;
  • messa a punto del protocollo di digestione di anticorpi mirati contro recettori di membrana di cellule tumorali, loro purificazione mediante metodologie biochimiche classiche e successiva coniugazione a nanoparticelle d’oro (rivestite con dendrimeri o polimeri sintetici/naturali) o nanotubi funzionalizzati.
• L’applicazione delle nanotecnologie per la rigenerazione tissutale (http://www.cht.unipv.it):
  • Studio della adesione, proliferazione e differenziamento di diversi tipi di cellule, comprese staminali mesenchimali adulte (MSC) o staminali pluripotenti indotte (iPSC), o linee macrofagiche a vari tipi di biomateriali (nano- e micro-scaffold) che possono essere utilizzati come superfici per l’adesione e la proliferazione cellulare oppure come sistemi per il rilascio del farmaco nelle sedi target;
  • Studio dell’effetto promosso dalla applicazione di vari tipi di stimolo quali meccanico (perfusione a flusso), fisico (elettromagnetico, ultrasuoni e/o laser a bassa intensità) oppure chimico (nutrizionale o di altra natura) singolarmente o in combinazione per promuovere la proliferazione e il differenziamento di MSC o iPSC a osteoblasti.
• L’applicazione delle nanotecnologie per la riduzione dell’infezione batterica:
  • Sviluppo e caratterizzazione di biomateriali/scaffold (per dispositivi biomedici impiantabili o imballaggio alimentare) che presentino modifiche di superficie o che contengano nanoparticelle di argento o di oro con funzione antibatterica al fine di ridurre l’adesione e la colonizzazione batterica;
  •  Studio della caratterizzazione biochimica e immunologica di MSCRAMMs batteriche e della formazione di biofilm, in particolare per i ceppi di stafilococco;
  • Analisi strutturale delle adesine mediante la tecnica “small angle X scattering tecnique” (SAXS).

Ricerche in corso:

Le precedenti attività di ricerca indicate sono tutte attive.

Ricerche in programmazione:

Le stesse attività di ricerca sono in programmazione per il prossimo anno.

Metodi messi a punto:

• Produzione e caratterizzazione di nanotubi di carbonio multistrato rivestiti con il farmaco antitumorale Mitoxantrone; caratterizzazione di nanoparticelle polimeriche contenti il farmaco Mitoxantrone;
• Produzione di nanoparticelle d’oro rivestite di polimeri e coniugate con il farmaco antitumorale Herceptin o Tamoxifene;
• Produzione e caratterizzazione di hScvF con attività inibitoria e displacing nei confronti di adesine batteriche di origine stafilococcica.

Brevetti:

• Method for Making Antibacterial and Antiviral the Surfaces of Metal Products Intended for Medical Uses - WO2007138446 (A2) - 2007-12-06 Inventori: Petrini Paola [It]; Bozzini Sabrina [It]; Tanzi Maria Cristina [It]; Visai Livia [It]. Proprietari: Eurocoating S.p.A.; Politecnico di Milano;
• Antibodies to the FbsA protein of Streptococcus agalactiae and their use in treating or preventing infections - US2005202025 (A1) - 2005-09-15. Inventori: Speziale Pietro [It]; Pietrocola Giampiero [It]; Visai Livia [It]. Proprietari: Inhibitex Inc [Us]; Texas A & M Univ Sys [Us]; University of Pavia (It);
• Monoclonal Antibodies that are Cross-Reactive Against Bacterial Collagen Binding Proteins - WO03072607 (A1) - 2003-09-04. Inventori: Speziale Pietro [It]; Visai Livia [It]; Giampiero Pietrocola [It]; Bates, Sarah E (US). Proprietari: Inhibitex Inc [Us]; Texas A & M Univ Sys [Us]; University of Pavia (It);
• Cross-Reactive Displacing Antibodies from Collagen-Binding Proteins and Method of Identification and Use - WO0170267 (A1) - 2001-09-27. Inventori: Hook Magnus (Us); Xu Yi (Us); Speziale Pietro (It); Visai Livia (It); Casolini Fabrizia (It); Patti Joseph (Us); Patel Pratiksha (Us); Domanski Paul (Us). Proprietari: Inhibitex Inc [Us]; Texas A & M Univ Sys [Us]; University of Pavia (It).

Attività Educazionale:

Inoltre, il laboratorio svolge attività educazionale interna ed esterna, e partecipa a corsi, organizza scuole (http://www. bioing.it/archiviodati/scuola_bressanone/BRESS13/index.html e http://www.unipv.it/bralweb) e convegni sia a livello nazionale (http://www.biomateriali.org/) che a livello internazionale (venice2014@mechanobiology.eu). Inoltre accoglie tesisti della Facoltà di Medicina e Chirurgia e di Ingegneria, del Dipartimento di Chimica e del Dipartimento di Scienze e Biotecnologie di Pavia. Promuove contatti con laboratori europei per Erasmus Placement.

Pubblicazioni:

• Comparison of apical extrusion of intracanal bacteria by various glide-path establishing systems: an in vitro study. Dagna A, El Abed R, Hussain S, Abu-Tahun IH, Visai L, Bertoglio F, Bosco F, Beltrami R, Poggio C, Kim HC.Restor Dent Endod. 2017 Nov;42(4):316-323.
•  Heterogeneous and self-organizing mineralization of bone matrix promoted by hydroxyapatite nanoparticles. Campi G, Cristofaro F, Pani G, Fratini M, Pascucci B, Corsetto PA, Weinhausen B, Cedola A, Rizzo AM, Visai L, Rea G. Nanoscale. 2017 Nov 16;9(44):17274-17283.
• Copper-containing mesoporous bioactive glass nanoparticles as multifunctional agent for bone regeneration. Bari A, Bloise N, Fiorilli S, Novajra G, Vallet-Regí M, Bruni G, Torres-Pardo A, González-Calbet JM, Visai L, Vitale-Brovarone C. Acta Biomater. 2017 Jun;55:493-504.
• Silver nanoparticles synthesized and coated with pectin: An ideal compromise for anti-bacterial and anti-biofilm action combined with wound-healing properties. Pallavicini P, Arciola CR, Bertoglio F, Curtosi S, Dacarro G, D'Agostino A, Ferrari F, Merli D, Milanese C, Rossi S, Taglietti A, Tenci M, Visai L. J Colloid Interface Sci. 2017 Jul 15;498:271-281.
• Cellulose nanocrystals as templates for cetyltrimethylammonium bromide mediated synthesis of Ag nanoparticles and their novel use in PLA films.Yalcinkaya EE, Puglia D, Fortunati E, Bertoglio F, Bruni G, Visai L, Kenny JM. Carbohydr Polym. 2017 Feb 10;157:1557-1567.
• Synthesis and characterization of strontium-substituted hydroxyapatite nanoparticles for bone regeneration. Frasnelli M, Cristofaro F, Sglavo VM, Dirè S, Callone E, Ceccato R, Bruni G, Cornaglia AI, Visai L. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017 Feb 1;71:653-662.
• Carboxymethylinulin-Chitosan Nanoparticles for the Delivery of Antineoplastic Mitoxantrone. Merli D, Pivi F, Profumo A, Quadrelli P, Milanese C, Risi G, Visai L. ChemMedChem. 2016 Oct 5