Università Roma Tre

Scopo del corso: Il corso fornisce le nozioni di base relative alle interazioni tra la luce e gli organismi viventi, concentrandosi sull'uso della luce per la diagnosi e la terapia. Vengono descritti in dettaglio la fotoproduzione di energia (fotosintesi e sue applicazioni nella produzione di energia ecosostenibile), i fenomeni fotofisici, la propagazione della luce nei tessuti umani e l'uso della luce nel trattamento di tumori e altre patologie. Vengono esaminate applicazioni biomediche relative a fotodiagnosi, fotosensibilità, fototerapia, terapia fotodinamica e farmaci fotosensibilizzanti. Una parte del corso copre argomenti relativi all'Optogenetica, una nuova branca della Fotonica che utilizza la luce per controllare i neuroni, che sono stati geneticamente modificati per esprimere canali ionici attivabili dalla luce. L'Optogenetica utilizza una combinazione di tecniche ottiche e genetiche per controllare le attività dei singoli neuroni nei tessuti viventi.

Argomenti delle lezioni

Fondamenti di propagazione della luce in cellule e tessuti
Interazioni tra luce e molecole; stati elettronici di una molecola e loro transizioni: differenza tra bioluminescenza, fosforescenza, fluorescenza e altri fenomeni non radiativi; interazioni tra luce, cellule e tessuti; effetti della propagazione della luce nei tessuti biologici; fondamenti delle sorgenti luminose più impiegate utilizzate nei dispositivi diagnostici biomedici.

Nozioni di base di biologia
Struttura e tipi cellulari; principali macromolecole; processi cellulari (dogma centrale della biologia): replicazione, trascrizione, traduzione, biosintesi e produzione di energia; classificazione e funzione delle proteine; organizzazione delle cellule in tessuti; descrizione morfologica e fisiologica dei tessuti principali del corpo umano.

Principi di base dell'ingegneria genetica e manipolazione del DNA
Reazione a catena della polimerasi (PCR); enzimi di restrizione; processo di clonaggio. Manipolazione genetica di microrganismi e organismi eucariotici superiori.

Biosensori
I principi di bioriconoscimento; trasduzione ottica; basi molecolari della generazione di biosensori; sensori a bioluminescenza, colorimetrici, a fluorescenza e basati su FRET. Applicazioni dei biosensori in oncologia, biorisanamento, sicurezza alimentare e produzione di farmaci. Principali strumenti e tecniche di imaging per il rilevamento di biosensori.

Imaging a super risoluzione: tecniche e applicazioni biologiche
Principi fisici e applicazioni biomediche di diverse tecniche ottiche a super-risoluzione (microscopia a due e multi-fotoni, STORM, PALM, STED, microscopia ad espansione, microscopia confocale rescan, LLS, SIM). Principi fisici e applicazioni biomediche di diverse tecniche a super-risoluzione non ottiche: microscopia elettronica (TEM, SEM, STEM); AFM.

Tecnologia microarray
Definizioni e applicazioni delle scienze omiche; tipologie di microarray (microarray di DNA, proteine, cellule e tessuti).
Fotosintesi
Plastidi nelle piante; reazioni alla luce al buio; Ciclo di Calvin e fissazione del carbonio; aspetti ecologici sulla fotosintesi; fotosintesi naturale e artificiale per la generazione di energia rinnovabile.

Tuning spettrale in biologia
Principali pigmenti nei sistemi biologici; chimica alla base della fotoefficienza del pigmento (teoria della risonanza, ambiente chimico e modifiche nelle proprietà di assorbimento della luce); acclimatazione cromatica e adattamento cromatico; aspetti molecolari dell'acclimatazione cromatica.

Tuning della visione nell'uomo
Anatomia dell'occhio umano; aberrazioni dell'occhio umano: aberrazioni ondulatorie e cromatiche, scattering intraoculare; OCT; organizzazione del tessuto retinico; citologia delle cellule di bastoncelli e coni; rodopsina e retina: struttura e funzioni; fotociclo del retinale: isomerizzazione molecolare alla base della visione; cascata di fototrasduzione in fotorecettori di vertebrati.

Optogenetica
Descrizione dei principali strumenti molecolari optogenetici; opsine negli animali; meccanismi di introduzione dei costrutti genetici nei mammiferi; optrodi: applicazioni e limitazioni; fotofisica della penetrazione della luce nei tessuti.

Fotofisiologia e fototossicità
Vitamina D: fotosintesi e metabolismo nel corpo umano; aspetti evolutivi della regolazione mediata dalla vitamina D dell'omeostasi del calcio; organizzazione della pelle umana e differenziazione dei tipi cellulari della pelle; produzione e funzioni di melanina; effetti delle radiazioni ultraviolette; effetti del fotodanneggiamento sulle cellule; meccanismi di riparazione ai danni al DNA fotoindotti; malattie da fotosensibilità; ritmi circadiani dipendenti dalla luce.

Fondamenti degli effetti terapeutici fototermici delle sorgenti luminose
Luce e sua percezione fisica; fototerapia; terapia fotodinamica; farmaci fotosensibilizzanti.

Visita guidata presso il Dipartimento di Scienze di RomaTre sulle strutture e le attrezzature studiate nel corso (luminometro, fluorimetro, citometro a flusso, dispositivi per la manipolazione genetica).
Visita guidata nel Dipartimento di Scienze di RomaTre sui microscopi confocali.
Visita guidata nei laboratori LIME sui microscopi TEM, SEM e AFM.

Prasad PN. Introduction to Biophotonics 2nd edition. Wiley-Interscience, Hoboken, NJ. 2003;
Björn LO. Photobiology: The Science of Life and Light, 2nd edition. Springer-Verlag, New York. 2008.
Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson AD, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Essential Cell Biology. 3rd edition. Garland Science. 2010.