Ateneo - UPO

L'insegnamento integrato affronta, con un approccio multidisciplinare, l'ottenimento, la caratterizzazione e la progettazione di molecole bioattive di interesse farmaceutico. Il modulo di Chimica Farmaceutica e Laboratorio di molecular modeling considera il farmaco come oggetto chimico, analizzando come la struttura molecolare ne determini le proprietà, il riconoscimento del bersaglio e il destino metabolico e quali modifiche strutturali possano essere introdotte per migliorarne il profilo; tali concetti sono applicati anche attraverso attività di molecular modeling. Il modulo di Fitochimica e biotecnologie farmaceutiche applicate alle piante officinali affronta le strategie tradizionali e innovative per l'ottenimento di metaboliti secondari di interesse farmaceutico, con particolare attenzione alle colture vegetali in vitro, alle colture cellulari e di tessuti, alla micropropagazione, alla trasformazione genetica e alla produzione biotecnologica di principi attivi. Nel complesso, l'insegnamento collega l'origine e la produzione delle molecole bioattive alla comprensione delle loro proprietà e alle strategie impiegate per il loro sviluppo in ambito farmaceutico.

Per il modulo di Chimica Farmaceutica e Laboratorio di molecular modeling

Testi consigliati, uno a scelta come testo di base:
A. Gasco, F. Gualtieri, C. Melchiorre, Chimica farmaceutica, seconda edizione, 2020. ISBN 978-8808420268.
W. O. Foye, T. L. Lemke, S. W. Zito, V. F. Roche et al., Principi di chimica farmaceutica, settima edizione, 2021. ISBN 978-8829931538.
G. Patrick, An Introduction to Medicinal Chemistry, seventh edition, 2023. ISBN 978-0198866664.
G. Costantino, G. Sbardella, Chimica Farmaceutica, prima edizione, 2024. ISBN 978-8836231522.

Per il modulo di Fitochimica e biotecnologie farmaceutiche applicate alle piante officinali
W. Schwab, B. Markus, M. Lange, M. Wüst (eds.), Biotechnology of Natural Products.
D. J. A. Crommelin, R. D. Sindelar, B. Meibohm, Pharmaceutical Biotechnology.

Pubblicazioni scientifiche open access indicate nel materiale didattico del modulo.

Per entrambi i moduli sono inoltre utilizzati materiali didattici predisposti dalle/dai docenti e resi disponibili attraverso la piattaforma D.I.R., comprese diapositive, esercitazioni, guide operative, file di lavoro e articoli della letteratura primaria.

Per la preparazione delle prove si raccomanda di fare riferimento ai materiali specificamente indicati nelle schede dei singoli moduli.

L'insegnamento integrato concorre agli obiettivi formativi del Corso di Laurea in Biotecnologie, percorso biotecnologico chimico-farmaceutico, fornendo una visione multidisciplinare del percorso che conduce dall'ottenimento e identificazione di una sostanza bioattiva alla comprensione delle sue proprietà molecolari e al suo possibile sviluppo come prodotto di interesse farmaceutico.

L'integrazione fra chimica farmaceutica, modellistica molecolare, fitochimica e biotecnologie vegetali consente di affrontare le molecole bioattive sia dal punto di vista della loro origine e produzione sia dal punto di vista delle relazioni fra struttura, proprietà, attività biologica e destino metabolico.

Al termine dell'insegnamento le studentesse e gli studenti sono in grado di:

descrivere e mettere in relazione le principali strategie chimico-farmaceutiche e biotecnologiche utilizzate per ottenere, caratterizzare e sviluppare sostanze bioattive di interesse farmaceutico;

ricondurre il comportamento di una molecola di interesse farmaceutico alle sue caratteristiche strutturali, considerando proprietà chimico-fisiche, riconoscimento del bersaglio, relazioni struttura-attività e trasformazioni metaboliche;

descrivere e confrontare le principali strategie tradizionali e innovative impiegate nelle biotecnologie vegetali per la produzione di metaboliti secondari, individuandone vantaggi, limiti e ambiti di applicazione;

applicare criteri razionali alla valutazione e all'ottimizzazione di molecole bioattive, utilizzando dati sperimentali, informazioni provenienti da banche dati e strumenti computazionali di base;

valutare criticamente dati, metodi e strategie utilizzati nei diversi ambiti dell'insegnamento, riconoscendone limiti, potenzialità e ricadute in campo farmaceutico, alimentare e industriale;

utilizzare una terminologia scientifica appropriata e comunicare in modo chiaro e argomentato i risultati di un'analisi o le caratteristiche di un processo chimico o biotecnologico.

Per seguire proficuamente l'insegnamento sono richieste conoscenze di base acquisite negli insegnamenti dei primi due anni del Corso di Laurea, in particolare:

chimica generale: equilibri acido-base, pH e pKa, interazioni intermolecolari e nozioni elementari di termodinamica;

chimica organica: principali gruppi funzionali e loro reattività, acidità e basicità dei composti organici, stereochimica e principali meccanismi di reazione;

biochimica e biologia molecolare: struttura e funzione delle principali biomolecole, principi della catalisi enzimatica e organizzazione della cellula;

biologia: organizzazione e funzionamento di base delle cellule e degli organismi vegetali.

Non sono richieste competenze pregresse di molecular modeling oltre all'uso corrente di un personal computer; gli strumenti informatici utilizzati vengono introdotti nell'ambito del modulo dedicato.

L'insegnamento integrato utilizza modalità didattiche complementari, coerenti con la diversa natura dei due moduli.

Nel modulo di Chimica Farmaceutica e Laboratorio di molecular modeling le lezioni frontali sono integrate con esercitazioni guidate, discussione di molecole e casi reali e attività pratiche in aula informatica. Il laboratorio utilizza banche dati chimiche e strutturali e strumenti computazionali di base per applicare i concetti di chimica farmaceutica a serie reali di composti.

Nel modulo di Fitochimica e biotecnologie farmaceutiche applicate alle piante officinali le lezioni frontali sono supportate da diapositive, materiali botanici ed esempi applicativi relativi alla produzione di metaboliti secondari e alle principali tecnologie utilizzate nelle biotecnologie vegetali.

L'impiego di casi di studio ed esempi reali nei due moduli ha lo scopo di sviluppare la capacità di applicare le conoscenze, confrontare strategie alternative e valutarne criticamente vantaggi e limiti.

I materiali didattici sono messi a disposizione attraverso la piattaforma D.I.R. secondo le modalità specificate nelle schede dei singoli moduli.

L'insegnamento MS1851 - Progettazione del farmaco è un'attività formativa integrata costituita dai moduli:

MS1852 - Chimica Farmaceutica e Laboratorio di molecular modeling;

MS1854 - Fitochimica e biotecnologie farmaceutiche applicate alle piante officinali.

La valutazione dell'insegnamento integrato è unica e collegiale. Gli elementi di valutazione acquisiti nei singoli moduli sono considerati congiuntamente dalla commissione e non danno luogo alla semplice media aritmetica di votazioni separate.

Ulteriori informazioni e materiali didattici sono disponibili sulle pagine D.I.R. dei singoli moduli.

Le studentesse e gli studenti con disabilità o con Disturbi Specifici dell'Apprendimento (DSA) o con Bisogni Educativi Speciali (BES) possono richiedere servizi e strumenti specifici a loro dedicati rivolgendosi allo Staff Sviluppo e Coordinamento Carriere e Servizi alle Studentesse e agli Studenti e consultando la pagina dedicata del sito di Ateneo. Una volta preso contatto con lo Staff di Ateneo, possono rivolgersi alle/ai docenti in relazione agli aspetti didattici e alla declinazione delle modalità di esame.

La valutazione dell'attività formativa integrata MS1851 è unica ed è attribuita collegialmente dalla commissione, considerando congiuntamente gli elementi di valutazione acquisiti nei due moduli. La votazione finale non deriva dalla media aritmetica di voti attribuiti separatamente.

Modulo MS1852 - Chimica Farmaceutica e Laboratorio di molecular modeling

La verifica comprende:

un test al computer di 45 minuti, costituito da 30 quesiti a risposta multipla, volto a verificare conoscenza e capacità di applicazione dei concetti di chimica farmaceutica a strutture molecolari anche non discusse durante le lezioni;

una relazione individuale di laboratorio di 3-5 pagine sul caso assegnato, seguita da una breve discussione orale, volta a verificare l'uso degli strumenti computazionali, la capacità di valutare qualità e limiti dei dati e dei metodi, l'autonomia di giudizio e l'abilità comunicativa.

Modulo MS1854 - Fitochimica e biotecnologie farmaceutiche applicate alle piante officinali

La verifica consiste in una prova orale con domande aperte sui contenuti del modulo. La prova verifica la conoscenza dei principali processi biotecnologici applicati alle piante e alle colture cellulari, la capacità di individuare gli approcci appropriati per l'ottenimento di metaboliti secondari, la capacità di discuterne vantaggi e svantaggi e l'uso di una terminologia scientifica appropriata.

Ai fini della valutazione complessiva vengono considerate la correttezza e completezza delle conoscenze, la capacità di applicarle a problemi e casi concreti, l'autonomia di giudizio, la capacità di collegare contenuti provenienti dai due moduli e la chiarezza dell'esposizione.

Il livello minimo di sufficienza corrisponde alla conoscenza corretta dei concetti fondamentali dei due moduli e alla capacità di applicarli a casi semplici utilizzando un linguaggio scientifico appropriato. I livelli più elevati richiedono capacità di integrare autonomamente contenuti diversi, discutere criticamente vantaggi e limiti di metodi e strategie e formulare interpretazioni o proposte motivate.

L'insegnamento integrato è articolato in due moduli complementari.

MODULO MS1852 - CHIMICA FARMACEUTICA E LABORATORIO DI MOLECULAR MODELING

Il farmaco come oggetto chimico. Ruolo della chimica farmaceutica nel processo di ricerca e sviluppo. Gruppi funzionali, centri acidi e basici, stereochimica e caratteristiche strutturali delle molecole di interesse farmaceutico.

Proprietà chimico-fisiche e drug-likeness. pKa e stato di ionizzazione, lipofilia, solubilità, superficie polare, donatori e accettori di legame idrogeno, flessibilità molecolare. Principali regole empiriche di drug-likeness e loro limiti.

Riconoscimento molecolare e bersagli biologici. Interazioni intermolecolari, effetto idrofobico, ruolo dell'acqua, contributi entalpici ed entropici, stereochimica del riconoscimento. Caratteristiche chimiche dei siti di legame e basi molecolari della selettività.

Relazioni struttura-attività e drug design. Costruzione e interpretazione di serie struttura-attività, farmacoforo, isosteria e bioisosteria, principali strategie di modifica strutturale e ottimizzazione multiparametrica.

Metabolismo dei farmaci. Principali trasformazioni di fase I e fase II, individuazione dei soft spot metabolici, strategie strutturali per modulare la stabilità metabolica, metaboliti reattivi e prodrug.

Individuazione e ottimizzazione di composti attivi. Screening, approcci fragment-based, riposizionamento, prodotti naturali come scaffold di partenza, percorso da hit a candidato.

Nuove modalità terapeutiche. Cenni a peptidi e peptidomimetici, coniugati anticorpo-farmaco, degradatori, molecular glue e oligonucleotidi terapeutici.

Laboratorio di molecular modeling. Rappresentazione digitale delle strutture chimiche; SMILES, SMARTS e InChI; ricerca in banche dati chimiche e strutturali; costruzione e curazione di serie struttura-attività; calcolo di descrittori e predizioni ADMET; analisi conformazionale; farmacofori tridimensionali; analisi di strutture proteiche e complessi ligando-proteina; docking guidato e valutazione critica dei risultati.

MODULO MS1854 - FITOCHIMICA E BIOTECNOLOGIE FARMACEUTICHE APPLICATE ALLE PIANTE OFFICINALI

Introduzione alle biotecnologie vegetali. Definizione, storia ed evoluzione. Problemi di disponibilità e produzione dei metaboliti secondari di rilevanza farmaceutica.

Approcci tradizionali. Selezione, ibridazione, incrocio, domesticazione e propagazione finalizzati al miglioramento delle colture officinali.

Colture vegetali in vitro. Colture di cellule, tessuti e organi vegetali, micropropagazione e principali tecniche operative.

Trasformazione genetica e colture specializzate. Ingegneria genetica, tecnologia del DNA ricombinante, piante e organismi transgenici, hairy roots e crioconservazione del germoplasma.

Colture cellulari. Colture in terreno liquido stazionario, ad immersione periodica e permanente; colture discontinue, continue, semi-continue e di cellule immobilizzate.

Produzione di metaboliti secondari in vitro. Strategie di produzione, selezione di linee cellulari altamente produttive, vantaggi e svantaggi rispetto alle fonti convenzionali. Esempi di produzione di principi attivi e sostanze di interesse farmaceutico e farmaco-tecnologico.

Organismi geneticamente modificati. Principi generali della normativa europea e nazionale relativa a rilascio nell'ambiente, alimenti e mangimi, tracciabilità, etichettatura e movimenti transfrontalieri. Principio di precauzione ed esempi applicativi.

Nel corso dei due moduli vengono utilizzati casi di studio per evidenziare il rapporto fra caratteristiche delle molecole bioattive, modalità con cui vengono ottenute e strategie attraverso le quali possono essere caratterizzate e sviluppate per applicazioni farmaceutiche.

Conoscenza e comprensione.
Le studentesse e gli studenti conoscono i principi fondamentali della chimica farmaceutica e delle biotecnologie vegetali applicate alle sostanze bioattive. Conoscono le relazioni fra struttura molecolare, proprietà chimico-fisiche, riconoscimento del bersaglio e metabolismo; le principali strategie di modifica e ottimizzazione strutturale; i principi e le applicazioni delle colture cellulari, tissutali e vegetali in vitro; le principali strategie di trasformazione genetica e produzione biotecnologica di metaboliti secondari.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Sanno analizzare una molecola di interesse farmaceutico individuandone le caratteristiche strutturali rilevanti, prevederne alcune proprietà e proporre modifiche motivate; utilizzare informazioni provenienti da banche dati e strumenti computazionali di base; individuare e descrivere l'approccio biotecnologico più appropriato per differenti obiettivi di produzione o miglioramento di metaboliti secondari.

Autonomia di giudizio.
Sanno confrontare criticamente metodi e strategie alternative, valutare la qualità e la confrontabilità di dati sperimentali o reperiti in banche dati, riconoscere i principali limiti delle previsioni computazionali e discutere vantaggi e svantaggi delle diverse tecnologie impiegate per la produzione di sostanze bioattive.

Abilità comunicative.
Sanno descrivere molecole, processi e strategie utilizzando una terminologia scientifica appropriata; presentare in forma scritta e orale risultati, interpretazioni e limiti di un'analisi; argomentare la scelta di una strategia chimica, computazionale o biotecnologica.

Capacità di apprendimento.
Sanno utilizzare testi, letteratura scientifica, banche dati e documentazione tecnica per approfondire autonomamente un problema di interesse chimico-farmaceutico o biotecnologico e trasferire le conoscenze acquisite a casi non trattati direttamente durante le lezioni.

Livello minimo di sufficienza.
Riconoscere e descrivere correttamente i concetti fondamentali dei due moduli, individuare le principali relazioni tra struttura, proprietà e attività di una molecola, descrivere le principali tecniche biotecnologiche vegetali e le loro applicazioni e utilizzare una terminologia scientifica appropriata.

Livello avanzato.
Integrare autonomamente conoscenze provenienti dai due moduli, affrontare criticamente un caso non discusso durante le lezioni, confrontare strategie alternative, formulare una proposta motivata di modifica strutturale o di approccio biotecnologico e discuterne in modo argomentato potenzialità e limiti.