Obiettivi formativi
Il Corso si prefigge di impartire nozioni fondamentali circa le caratteristiche strutturali-funzionali dei tessuti umani, i concetti fondamentali dello sviluppo embrionale e come i vari processi morfogenetici sono controllati da complesse interazioni cellulari e molecolari. Lo Studente è pertanto atteso poter acquisire una conoscenza più approfondita e una maggior comprensione dei diversi fenomeni cellulari e dei meccanismi che sottendono al loro controllo. Questo anche in termini applicativi tramite l’apprendimento delle tecnologie e dei metodi utilizzati per giungere alle scoperte scientifiche che permettono di acquisire tali informazioni. Tramite l’ultima parte del Corso lo Studente sarà istruito circa le caratteristiche biologiche ed applicative delle cellule staminali adulte ed in particolare le loro peculiarità genetico-molecolari e fenotipiche, nonché i meccanismi che controllano tali proprietà e consentono di poter considerare tali cellule per applicazioni terapeutiche nell’ambito della medicina rigenerativa. E’ inoltre inteso che lo Studente possa acquisire la capacità di raccogliere e interpretare dati scientifici nel campo ed altre informazioni nel campo della biologia cellulare ritenuti utili a determinare giudizi autonomi sulla loro rilevanza. E’ altresì atteso che lo Studente acquisisca la piena capacità di comunicare informazioni, idee, problemi e soluzioni a interlocutori specialisti e non specialisti e che sviluppi quelle capacità di apprendimento necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.
Prerequisiti
Relativamente alla prima del Corso, si assume che ,lo Studente abbia una soddisfacente preparazione di base in biologica cellulare e una certa familiarità con le tecniche di base impiegabili per studiare cellule in vitro ed in vivo. Per poi poter seguire in modo razionale ed efficace la seconda parte del Corso è opportuno che lo Studente abbia una buona padronanza delle nozioni di base di biologia molecolare, genetica e biochimica e che addomestichi i principi più basilari dell’immunologia e della patologia.
Contenuti dell'insegnamento
Il Corso è suddiviso in due Moduli, di rispettivamente 3 CFU e 6 CFU, di cui uno rivolto all’approfondimento della struttura e funzione dei tessuti umani e uno che combina la descrizione dei principi fondamentali dello sviluppo embrionale e la biologia e potenziali applicazioni cliniche delle cellule staminali adulte.
Il Corso inizia con una panoramica dei metodi, delle procedure e degli strumenti utilizzati per studiare le caratteristiche morfologiche dei tessuti e delle cellule spiantate, toccando alcuni approcci utilizzati per esaminare cellule in vivo, ovvero identificarle ed analizzarle all’interno dell’ organismo di appartenenza (ad esempio metodi e strumentazioni per "Whole-body imaging"). Sono anche trattati i metodi di colorazione cellulare (citologici) e dei tessuti in situ (istologici), nonché le procedure di marcatura delle cellule per il loro tracciabilità in vivo in seguito a trapianto. Il Corso segue quindi con la descrizione sequenziale dei tratti morfologico-funzionali dei tessuti primari del corpo umano, a partire da quello epiteliale per finire con il sistema ematopoietico e vascolare.
La seconda parte del Corso è dapprima focalizzata sulle fasi più precoci dello sviluppo e successivamente concentrata sui vari aspetti annessi alla biologia, caratteristiche fenotipiche e potenzialità applicative delle cellule staminali nell’adulto. Questa seconda parte (Modulo) inizia con una panoramica dei concetti primari, la definizione dei termini e nomenclatura attualmente adottata nel settore. Nella fase successiva, il Corso illustra gli studi che hanno messo in evidenza i meccanismi cellulari e molecolari che sottendono all’impostazione degli assi corpori e l’induzione (specificazione) degli foglietti embrionali, del sistema nervoso e dei derivati mesodermici. Qualche cenno è anche fatto agli eventi che portano alla formazione degli arti.
Il Corso si addentra poi sulla scoperta delle numerose tipologie di cellule staminali/progenitore che risiedono nella maggior parte dei tessuti umani adulti, la loro distribuzione ed i metodi che hanno permesso di fare queste scoperte. Nell’ambito di questa discussione sono inizialmente affrontati gli aspetti molecolari più dettagliati della biologia delle cellule staminali, trattando in particolar modo le peculiarità genetico-molecolari alla base per il controllo dell’auto-rinnovamento e della multipotenzialità differenziativa delle cellule.
Quindi vengono approfondite le nostre conoscenze sulle proprietà ed applicazioni cliniche delle principali tipologie di cellule staminali del corpo umano, iniziando con il prototipo della cellula staminale umana – la cellula staminale ematopoietica CD34+. Il Corso tocca poi le caratteristiche biologiche-funzionali delle cellule staminali mesenchimali, neurali e cardiache e quali siano i possibili ambiti applicativi di queste cellule nella medicina rigenerativa. Anche in questo caso il Corso si prefigge di impartire una visione completa di come queste cellule sono state inizialmente scoperte, come il loro comportamento biologico è stato definito e come il loro potenziale differenziativo possa essere adattato ad approcci di rigenerazione di tessuti e organi. La parte finale del Corso è dedicata alla più recente scoperta delle cellule IPs – “Induced Pluripotent Stem Cells” (argomento oggetto del Premio Nobel 2012 assegnato a S. Yamanaka e J.B. Gurdon). Le lezioni dedicate a quest’ultima tematica mirano ed evidenziare come la comprensione della tecnologia delle cellule IPs possa fornire inedite opportunità di chiarire alcuni aspetti della biologia delle cellule staminali ancora oscuri e a tradurre queste conoscenze in effettive applicazioni cliniche.
Programma esteso
Il programma dettagliato relativo al primo Modulo del Corso che tratta la “Struttura e Funzione dei Tessuti Umani” comprende i seguenti argomenti:
1. Panoramica sulle metodologie, tecniche e procedure utilizzate per studiare i tessuti e le cellule che li compongono
2. Classificazione dei tessuti umani
3. Classificazione e struttura dei tessuti epiteliali e delle membrane basali ad essi associate
4. Struttura e principali caratteristiche dei tessuti connettivi lassi e proprietà della matrice extracellulare tipica di questi tessuti
5. Struttura e principali caratteristiche dei tessuti connettivi propriamente detti e proprietà della matrice extracellulare di questi tessuti
6. Tipologie e caratteristiche dei tessuti cartilaginei
7. Il tessuto osseo
8. Elementi del sangue e sistema ematopoietico
9. Principali caratteristiche delle strutture vascolari e linfatiche
I relativi capitoli nel testo di riferimento per questa parte del Corso sono i seguenti:
Capitolo 1 – Metodi
Capitolo 4 – Tessuti: definizione e classificazione
Capitolo 5 – Tessuto epiteliale
Capitolo 6 – Tessuto connettivo
Capitolo 7 – Tessuto cartilagineo
Capitolo 8 – Tessuto osseo
Capitolo 9 – Tessuto adiposo
Capitolo 10 – Sangue
La prima parte del Secondo Modulo del Corso dedicata alla Biologia dello sviluppo tratta i seguenti argomenti:
1. Il processo di segmentazione e i primi stadi di sviluppo
2. Il ciclo vitale dell’embrione dei vertebrati
3. La gastrulazione
4. La determinazione dei foglietti embrionali: endoderma, mesoderma e ectoderma
5. La specificazione degli assi corporei: dorsale-ventrale e anteriore-posteriore
6. La specificazione della simmetria bilaterale
7. L’induzione del sistema nervoso e la neurulazione
8. La formazione del tubo neurale e lo sviluppo del sistema nervoso centrale
9. La formazione e sviluppo della cresta neurale
10. La formazioni dei somiti e sviluppo del dermomiotomo
11. La delineazione della st6ruttura corporea (il “codice Hox”)
I relativi capitoli consigliati dal libro di testo di rifermento, “Principi dello Sviluppo di Wolpert e coautori, sono i seguenti:
Capitolo 1. Le origini della biologia dello sviluppo e gli strumenti concettuali
Capitolo 3. Sviluppo dei vertebrati I: cicli di sviluppo e tecniche sperimentali. Cicli vitali dei vertebrati e cenni di sviluppo
Capitolo 4. Lo sviluppo dei vertebrati II: Xenopus e pesce zebra
Capitolo 5. Sviluppo dei vertebrati III: pollo e topo, il completamento del piano corporeo
Capitolo 9. La morfogenesi: cambiamenti di forma dell’embrione precoce
Capitolo 12. Lo sviluppo del sistema nervoso. Specificazione dell’identità cellulare nel sistema nervoso
I corrispettivi capitoli e approfondimenti consigliati dal libro di testo complementare e di supporto, “Biologia dello sviluppo” di Gilbert e Barresi, sono i seguenti:
Capitolo 1. Costruzione di nuovi organismi. Meccanismi di organizzazione dello sviluppo
Il ciclo della vita
Un esempio: la vita di una rana
Embriologia comparata
Visione d’insieme delle fasi iniziali dello sviluppo
Seguendo le cellule in movimento:
mappe presuntive e discendenze cellulari
Capitolo 2. Specificazione dell’identità. Meccanismi di modellamento dello sviluppo
Livelli di impegno
Specificazione autonoma
Specificazione condizionale
Specificazione sinciziale
Un arcobaleno di identità cellulari
Capitolo 4. Comunicazione fra cellule. Meccanismi di morfogenesi
Adesione e riassortimento cellulare:
la segnalazione iuxtacrina e la fisica
della morfogenesi
La matrice extracellulare come fonte di importanti
segnali dello sviluppo
Transizione epitelio-mesenchimale
Segnalazione cellulare
Fattori paracrini: le molecole induttrici
La biologia cellulare del segnale paracrino
Segnali iuxtacrini nell’identità cellulare
Capitolo 11. Anfibi e pesci. Primi stadi dello sviluppo degli anfibi
Fecondazione, rotazione corticale e segmentazione
La gastrulazione degli anfibi
Determinazione progressiva degli assi degli anfibi
Il lavoro di Hans Spemann e Hilde Mangold
Meccanismi molecolari della determinazione degli assi negli anfibi
La specificità regionale dell’induzione neurale lungo l’asse antero-posteriore
Specificazione dell’asse destro-sinistro
Capitolo 12. Uccelli e mammiferi. Primi stadi dello sviluppo negli uccelli
La segmentazione
La gastrulazione negli embrioni degli uccelli
Specificazione degli assi e dell’“organizzatore”
negli uccelli
Primi stadi dello sviluppo nei mammiferi
La segmentazione
La gastrulazione nei mammiferi
Formazione degli assi dei mammiferi
Capitolo 13. Formazione e modellamento del tubo neurale
La trasformazione della piastra neurale in un tubo:
come nasce il sistema nervoso centrale
Il modello “insegui e metti in fuga”
Lo scheletro del cranio derivato dalla cresta
neurale
La cresta neurale cardiaca
L’ontogenesi dei percorsi assonali nel sistema nervoso
Il cono di crescita: guida e motore dell’esplorazione assonale alla ricerca di un percorso (axon pathfinding)
La guida assonale
Il programma di navigazione intrinseco dei neuroni motori (motoneuroni)
Come fanno i neuroni motori ad attraversare
la strada?
CAPITOLO 14. Lo sviluppo dell’encefalo. Neuroanatomia dello sviluppo del sistema nervoso
centrale
I meccanismi dello sviluppo che regolano
l’accrescimento del cervello
Sviluppo del cervello umano
Capitolo 17. Mesoderma parassiale
I somiti e i loro derivati
I tipi cellulari del somite
Determinazione del mesoderma
parassiale e dei destini cellulari lungo l’asse
antero-posteriore
La somitogenesi
Sviluppo dello sclerotomo
Sviluppo del derma miotomo
La seconda parte di questo Modulo del Corso, dedicata alla biologia e applicazioni cliniche delle cellule staminali, comprende i seguenti argomenti:
1. La mappa corporea delle cellule staminali adulte e alcune delle loro caratteristiche
2. Il concetto di staminalità, divisione asimmetrica, auto-replicazione e pluripotenza da un punto di vista molecolare;
3. Le procedure e le limitazioni nel tracciamento in vivo di cellule staminali e le loro progenie in seguito a trapianto;
4. Le caratteristiche del prototipo di cellula staminale - la cellula staminale ematopoietica e il suo uso in clinica;
5. I meccanismi molecolari e cellulari che controllano le cellule staminali stromali/mesechimali e il loro potenziale clinico;
6. I meccanismi cellulari e molecolari che controllano le cellule neurali staminali e il loro potenziale clinico;
7. L'identificazione e caratterizzazione delle cellule staminali cardiache
8. Il potenziale delle cellule staminali embrionali, epigenetica delle cellule staminali e la "nascita" e il potenziale di sfruttamento delle cellule iPS ("cellule staminali pluripotenti indotte).
Bibliografia
Il testo consigliato per la prima parte del Corso è "Histology: A Text and Atlas", di Micheal H. Ross e Wojciech Pawlina, publicato da Lippincott Williams & Wilkins e tradotto in italiano con il titolo “Istologia - Testo atlante con elementi di biologia cellulare e molcolare” (Casa Editrice Zanichelli). Essendo il Corso imperniato su aspetti basilari di istologia morfologica e funzionale sono disponibili numerosi altri testi con simili contenuti. Gli Studenti sono quindi liberi di fornirsi di altri testi in alternativa o in modo complementare, fermo restando che sia le lezioni che la valutazione finale di questo modulo sarà basata sul suddetto libro di testo di Ross e Pawlina.
Per la seconda parte del Corso il testo consigliato è la Sesta Edizione di "Principles of Development" di Lewis Wolpert, Cheryll Tickle e Alfonso Martinez Arias, di cui è disponibile tradotta in italiano la quinta edizione: "Principi dello sviluppo (casa editrice, Oxford University Press). Si incoraggiano inoltre gli Studenti a consultare parallelamente l’undicesima edizione del testo “Biologia dello Sviluppo” di Scott Gilbert. Ulteriore materiale didattico è fornito tramite il portale istituzionale “Elly” nella forma di copie delle presentazioni esposte durante le lezioni.
I capitoli di specifico interesse sono per i suddetti testi i seguenti:
"Istologia"....
"Principles of Development", capitoli 1, 3-5, 7, 10 e 11 (si consiglia anche il Capitolo 8 per approfondimento delle proprie conoscenze). Per il testo "Biologia dello Sviluppo" i Capitoli di riferimento sono: 1, 5, 11-15, e 17-19.
Metodi didattici
A fine di trasmettere agli Studenti una visione globale delle caratteristiche morfo-funzionali dei tessuti umani, di come questi tessuti sono formati durante lo sviluppo e quali sono meccanismi cellulari e molecolari che sottendono allo sviluppo embrionale, sono proposti quali testi di riferimento mo0nografie di particolare rilievo e di recente pubblicazione, alle quali sono abbinate in modo complementare informazioni tratte dai numerosi articoli scientifici originari che hanno rivoluzionato il settore. Illustrazioni fornite in queste pubblicazioni scientifiche sono altresì utilizzate per l'impostazione delle presentazioni fornite tramite le lezioni. Visto anche che il Corso si basa in modo specifico sulle conoscenze ed esperienze del Docente, gli Studenti sono particolarmente sollecitati a frequentare il maggior numero possibile delle lezioni. Ove questo sarà reso possibile dalle attuali risorse istituzionali messe a disposizione per la conduzione del Corso, verrà data l'opportunità agli Studenti di apprendere le caratteristiche morfo-funzionali dei tessuti umani anche mediante brevi dimostrazioni/esercitazioni. Quindi il Corso si prefigge di utilizzare una combinazione di metodi didattici tradizionali ed interattivi.
Modalità verifica apprendimento
La frequenza del Corso è obbligatoria e lo studente è fortemente incoraggiato a rispettare quest’obbligo, ai fini di meglio avvalersi dell’istruzione impartita e per poter superare il Corso con maggior successo.
La valutazione finale dello studente si basa su una combinazione di una prova scritta, ed un eventuale colloquio integrativo, per il Modulo relativo all"Istologia funzionale", e di un esame orale per la parte relativa al Modulo relativo alla Biologia dello sviluppo e "Biologia ed applicazioni cliniche delle cellule staminali". Viene considerata come voto finale una media dei risultati ottenuti nelle due valutazioni, con preponderanza per il voto ottenuto dalla prova relativa al secondo Modulo del Corso (questo conformemente al rapporto 3 verso 6 CFU per i due Moduli e con un corrispettivo rapporto di per i due voti di 30% verso 70%).
La prova scritta relativa al modulo di "Istologia" è impostata su 8 domande aperte per le quali si può ricevere fino a 4 punti per ciascuna risposta, per un totale di 32 punti. La prova è considerata superata con un punteggio minimo di 18 punti. Il punteggio ottenuto per una tale prova indica un voto di partenza che può eventualmente essere migliorato mediante un colloquio integrativo. Qualora non si raggiunga il punteggio minimo di 18, la prova può essere ripetuta innumerevoli volte, anche nell'arco della stessa sessione di appelli. Vice versa qualora il punteggio sia pari o superiore a 18 punti, NON è possibile ripetere la prova ma lo studente può optare per il colloquio integrativo qui sopra citato.
Per quanto concerne la valutazione relativa al Modulo "Biologia dello sviluppo/Cellule staminali" è richiesta una breve presentazione su un argomento a scelta dello studente relativo alla materia “Biologia dello sviluppo”, ovvero lo studente dovrà individuare un argomento di suo particolare interesse ed esporre una presentazione di NON più di 5 minuti su tale argomento sfruttando un massimo di 5 slides (vedi anche di seguito). La presentazione è giudicata per la sua qualità in termini di chiarezza, accuratezza e la pertinenza al tema. Particolare attenzione è rivolta al grado di conoscenza dello studente sul tema selezionato e come lui/lei presenti l'argomento. La presentazione è seguita da eventuali domande da parte del docente relative a quanto trattato o circa nozioni correlate e ampiamente discusse durante il Corso. Se la presentazione è giudicata di insufficiente qualità, e riceve una scarsa valutazione, è possibile ripeterla in un altro Appello, ma su un tema diverso, anch'esso autonomamente scelto dallo Studente.
Come linee guida, la presentazione non dovrebbe comprendere più di 5 slides, per evitare dilungamenti oltre i 5 minuti ammessi. Le slides NON devono riportare testo ma solo illustrazioni iconografiche e NON semplicemente riportare testi copiati da libri o da articoli scientifici. Ciò significa che le immagine che costituiscono la presentazione devono riportare tabelle, grafici, foto, diagrammi e schemi, che possono poi essere supportati da brevi testi esplicativi. Presentazioni su argomenti NON attinenti alla Biologia dello sviluppo riceveranno valutazioni negative. Le presentazioni non devono quindi essere più lunghe di quanto stabilito, devono rispettare le linee guida sopra citate e possibilmente trattare i diversi i temi della Biologia dello sviluppo affrontati durante il Corso.
La presentazione relativa alla Biologia dello sviluppo è seguita da un colloquio relativo al Modulo “Cellule staminali” e verte su una delle tematiche affrontate durante il Corso ed elencate di seguito. Per ciascun studente la tematica da discutere è selezionata dal Docente.
Argomenti su cui basare la presentazione relativa al Modulo "Biologia delle cellule staminali e le loro applicazioni cliniche" sono forniti in un documento ad sul portale Elly.
Altre informazioni
La prima parte del Corso relativa al modulo di istologia funzionale è coordinato in modo organico con quello parallelo di Anatomia e istologia umana di cui responsabile la Prof.ssa Cecilia Carubbi. Pertanto, nell'ambito del presente Corso, le caratteristiche istologiche dei vari tessuti sono trattate separatamente e in modo altamente complementare dai due corsi.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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