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 in particolare della nanomedicina, tale risultato appare molto vicino. Pertanto, l’attività di ricerca svolta nel laboratorio di Nanotecnologie si riferisce alle seguenti tematiche principali:

• L’applicazione delle nanotecnologie nello Spazio e in microgravità simulata;
• 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 delle attività principali di ricerca appena indicati del laboratorio, afferente al Dipartimento di Medicina Clinica-Specialistica, UOR5 Laboratorio di Nanotecnologie 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 nel trattamento dell’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 per promuovere l’adesione e il differenziamento di cellule staminali mesenchimali umane;
• 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 predispone studi di biocompatibilità cellulare su scaffold di diversa natura.

Inoltre, il gruppo di ricerca ha partecipato negli anni passati 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, riguardanti le applicazioni della nanotecnologia alla medicina, risultano suddivise in sotto tematiche come qui di seguito riportate:

• 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) e analisi proteomiche;
  • analisi dei campioni che sono stati sulla stazione sperimentale spaziale mediante “RNA sequencing (RNA-Seq)”.
  • Monitoraggio dei livelli di FG23 e di klotho negli astronauti, prima, durante e dopo il volo Spaziale.
• L’applicazione delle nanotecnologie nella diagnosi e terapia dei tumori e dell’endometriosi:
  •  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 e cellule endometriosiche;
  • 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.
  • Sviluppo e caratterizzazione di sferoidi ottenuti sia in vitro sia medinate biostampante 3D utilizzando diverse linee cellulari
• 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; sviluppo di nanoparticelle di oro coniugate con fotosintetizzatori attivabili con luce laser.
  •  Studio della caratterizzazione biochimica e immunologica di MSCRAMMs batteriche e della formazione di biofilm, in particolare per i ceppi di stafilococco; selezione di anticorpi monoclonali umani su adesine stafilococciche utilizzando la tecnica del phage display e loro caratterizzazione biochimica.

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 di nanoparticelle d’oro rivestite di polimeri e coniugate con i farmaci antitumorali ma anche per il trattamento delle endometriosi; studio e determinazione delle protein corona delle nanoparticelle.
• Produzione e caratterizzazione di hScvF e di hScvF-Fc con attività inibitoria, displacing ed enhancing nel legame a proteine della matrice extracellulare dell’ospite da parte di adesine batteriche di origine stafilococcica. Valutazione della attivtà inibitoria di nanoparticelle di mucina caricate con farmaci su pre-biofilm e post-biofilm.
• Messa a punto di colture cellulari tridimensionali con/senza biostampante 3D e valutazione degli effetti esercitati dalla aggiunta delle nanoparticelle.

Brevetti (# 8):

• Novel formulations for biobased nanostructured films and coatings – 102023000006900 – 2023-04-07 Inventori: Matteo Gigli [It]; Daniele Massari [It]; Claudia Crestini[It]; Nora Bloise[It]; Livia Visai [It]. Proprietari: Università di Venezia [It]; Università di Pavia [It].
• Nanoparticelle Glicosilate Di Mucina Covalentemente Reticolate Come Sistemi Per La Veicolazione Ed Il Rilascio Di Farmaci E Biomolecole -102020000014908 - 2020-06-22 Inventori: Visentin Sonja [It]; Bracotti Francesco[It]; Visai Livia [It]; Petrini Paola[It]. Proprietari: Università di Torino [It]; Università di Pavia [It]; Politecnico di Milano [It]. Compositions and the use of a fibrinogn binding motif presence in efb and coa for vaccine against staphylococcus aureus and drug delivery - US20200283508A1 - 2013-10-15; 2014-10-15; 2016-04-15; 2020-05-20 Inventori: Ko Ya-Ping [Us] Hook Magnus [Us]; Rooijakkers Suzan Hm [Nl]; Visai Livia [It]; Bertoglio Federico [It]; Hust Michael [De]; Meier Doris [De]. Proprietari: IBT and Texas A&M University Health Science Center[Us]; Technische Universität Braunschweig [De]; University of Pavia [It].
• Three-dimensional substrate for microbial cultures - WO2020128965A1 - 2018-12-19 inventori: Petrini Paola[It]; Paneda Pacheco Daniela Patricia [Pt]; Suarez Vargas Natalia Andrea [Co]; Bertoglio Federico [It]; Visentin Sonja [It]; Visai Livia [It]. Proprietari: Bacr3Gel [Pt]; Politecnico di Milano [It]; Università di Torino [It]; Università di Pavia [It].  
• 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 ( 2014), https://itidconference.com/ (2022 e 2023); International Symposium in Nanomedicine “Towards translation and European networking” ( 2016); Nanoworld Cancer Day 2017: “Nanomedicine: Smart Solution to beat cancer” ; HealthTech World Cancer Day 2019 “Smart technological solutions to defeat cancer: possible challenge?” ). Partecipa alla organizzazione di corsi trasversali per i dottorandi: “Ricerca e Nanomedicina” e “La ricerca Scientifica e il principio delle 3R”.  Organizza dal 2016 con successo presso l’Università di Pavia un workshop dal titolo “Ricerca e Nanomedicina”.  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 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=visai+l&sort=pubdate&size=50) :

•  Combined Effects of HA Concentration and Unit Cell Geometry on the Biomechanical Behavior of PCL/HA Scaffold for Tissue Engineering Applications Produced by LPBF. Gatto ML, Furlani M, Giuliani A, Cabibbo M, Bloise N, Fassina L, Petruczuk M, Visai L, Mengucci P. Materials (Basel). 2023 Jul 11;16(14):4950. doi: 10.3390/ma16144950.
• Internally crosslinked alginate-based bioinks for the fabrication of in vitro hepatic tissue models. Guagliano G, Volpini C, Camilletti J, Donnaloja F, Briatico-Vangosa F, Visai L, Petrini P. Biofabrication. 2023 Jun 1;15(3). doi: 10.1088/1758-5090/acd872.
• Hep3Gel: A Shape-Shifting Extracellular Matrix-Based, Three-Dimensional Liver Model Adaptable to Different Culture Systems. Guagliano G, Volpini C, Sardelli L, Bloise N, Briatico-Vangosa F, Cornaglia AI, Dotti S, Villa R, Visai L, Petrini P. ACS Biomater Sci Eng. 2023 Jan 9;9(1):211-229. doi: 10.1021/acsbiomaterials.2c01226. Epub 2022 Dec 16.
• Strontium-doped apatitic bone cements with tunable antibacterial and antibiofilm ability. Dapporto M, Tavoni M, Restivo E, Carella F, Bruni G, Mercatali L, Visai L, Tampieri A, Iafisco M, Sprio S. Front Bioeng Biotechnol. 2022 Dec 9;10:969641. doi: 10.3389/fbioe.2022.969641.
• Long-term osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells in simulated microgravity: novel proteins sighted. Montagna G, Pani G, Flinkman D, Cristofaro F, Pascucci B, Massimino L, Lamparelli LA, Fassina L, James P, Coffey E, Rea G, Visai L, Rizzo AM. Cell Mol Life Sci. 2022 Oct 1;79(10):536. doi: 10.1007/s00018-022-04553-2.
• Mucosomes: Intrinsically Mucoadhesive Glycosylated Mucin Nanoparticles as Multi-Drug Delivery Platform. Butnarasu C, Petrini P, Bracotti F, Visai L, Guagliano G, Fiorio Pla A, Sansone E, Petrillo S, Visentin S. Adv Healthc Mater. 2022 Aug;11(15):e2200340. doi: 10.1002/adhm.202200340. Epub 2022 Jun 4 
• Early Osteogenic Marker Expression in hMSCs Cultured onto Acid Etching-Derived Micro- and Nanotopography 3D-Printed Titanium Surfaces. Bloise N, Waldorff EI, Montagna G, Bruni G, Fassina L, Fang S, Zhang N, Jiang J, Ryaby JT, Visai L. Int J Mol Sci. 2022 Jun 25;23(13):7070. doi: 10.3390/ijms23137070.
• Haralick's texture analysis to predict cellular proliferation on randomly oriented electrospun nanomaterials. Bloise N, Fassina L, Focarete ML, Lotti N, Visai L. Nanoscale Adv. 2022 Feb 16;4(5):1330-1335. doi: 10.1039/d1na00890k. eCollection 2022 Mar 1
• Increased Antibacterial and Antibiofilm Properties of Silver Nanoparticles Using Silver Fluoride as Precursor. Bertoglio F, De Vita L, D'Agostino A, Diaz Fernandez Y, Falqui A, Casu A, Merli D, Milanese C, Rossi S, Taglietti A, Visai L, Pallavicini P. Molecules. 2020 Jul 31;25(15):3494. doi: 10.3390/molecules25153494.
• In Vitro Production of Calcified Bone Matrix onto Wool Keratin Scaffolds via Osteogenic Factors and Electromagnetic Stimulus. Bloise N, Patrucco A, Bruni G, Montagna G, Caringella R, Fassina L, Tonin C, Visai L. Materials (Basel). 2020 Jul 8;13(14):3052. doi: 10.3390/ma13143052. PMID: 32650489
• An in vivo Comparison Study Between Strontium Nanoparticles and rhBMP2. Montagna G, Cristofaro F, Fassina L, Bruni G, Cucca L, Kochen A, Divieti Pajevic P, Bragdon B, Visai L, Gerstenfeld L. Front Bioeng Biotechnol. 2020 Jun 16;8:499. doi: 10.3389/fbioe.2020.00499.
• Combining Biologically Active β-Lactams Integrin Agonists with Poly(l-lactic acid) Nanofibers: Enhancement of Human Mesenchymal Stem Cell Adhesion. Martelli G, Bloise N, Merlettini A, Bruni G, Visai L, Focarete ML, Giacomini D. Biomacromolecules. 2020 Mar 9;21(3):1157-1170. doi: 10.1021/acs.biomac.9b01550. Epub 2020 Feb 14. PMID: 32011862
• Extra-Small Gold Nanospheres Decorated With a Thiol Functionalized Biodegradable and Biocompatible Linear Polyamidoamine as Nanovectors of Anticancer Molecules. Bloise N, Massironi A, Della Pina C, Alongi J, Siciliani S, Manfredi A, Biggiogera M, Rossi M, Ferruti P, Ranucci E, Visai L. Front Bioeng Biotechnol. 2020 Mar 4;8:132. doi: 10.3389/fbioe.2020.00132. eCollection 2020.