RICERCA E SVILUPPO DI FARMACI BIOLOGICI E "SMALL MOLECULES" E ASPETTI OMICI DELLA PROGETTAZIONE RAZIONALE DEI FARMACI

Modulo ASPETTI OMICI DELLA PROGETTAZIONE RAZIONALE DEI FARMACI

I risultati di apprendimento sono declinati secondo i Descrittori di Dublino.

Conoscenza e comprensione

Al termine del modulo lo studente sarà in grado di:

• descrivere le esigenze scientifiche e tecnologiche che hanno condotto alla nascita delle scienze omiche e distinguere l'approccio omico — globale, ad alta processività e guidato dai dati — dall'approccio delle tecniche classiche, guidato da ipotesi e mirato, indicando quali informazioni aggiuntive ciascuna omica fornisce rispetto alla propria controparte classica;

• illustrare i principi teorici e strumentali delle tecniche analitiche impiegate nelle scienze omiche: tecniche elettroforetiche e cromatografiche; spettrometria di massa (sorgenti di ionizzazione, analizzatori, rivelatori, spettrometria di massa tandem, accoppiamenti GC-MS e LC-MS);

• spiegare i fondamenti teorici, le piattaforme tecnologiche e i principali campi di applicazione di genomica, trascrittomica, epigenomica, proteomica e metabolomica;

• descrivere i principi della bioinformatica e della modellistica molecolare applicati alla progettazione razionale dei farmaci: banche dati biologiche e strutturali, allineamento di sequenza, modellazione per omologia, campi di forza, docking molecolare e virtual screening.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine del modulo lo studente sarà in grado di:

• selezionare e motivare l'approccio omico e le tecniche analitiche più appropriati per un dato problema di identificazione del bersaglio, scoperta di biomarcatori, progettazione o riposizionamento di un farmaco;

• interpretare i dati e gli output sperimentali di base tipici delle scienze omiche (spettro di massa, profilo di espressione differenziale, mappa di calore e clustering, punteggio e posa di docking), traendone conclusioni pertinenti;

• ricostruire e argomentare, su un caso patologico reale, la strategia sperimentale che collega il dato omico all'identificazione del bersaglio molecolare e alla proposta di un candidato farmaco.

Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di valutare criticamente i limiti, le fonti di errore e i rischi di sovra-interpretazione dei dati omici (rumore tecnico, molteplicità dei test, confondenti biologici, distinzione fra correlazione e causalità), confrontando approcci alternativi e argomentando la propria scelta. Attività specifiche: analisi e discussione guidata di casi di studio in aula; lettura critica e discussione di articoli scientifici primari.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di esporre in forma scritta, con terminologia tecnico-scientifica appropriata e con l'ausilio di rappresentazioni grafiche dei dati, il razionale di una strategia omica applicata alla ricerca farmacologica, rivolgendosi sia a interlocutori specialisti sia non specialisti. Attività specifiche: discussione in aula dei casi di studio con confronto tra pari; discussione fra pari degli articoli scientifici assegnati; prova scritta con quesiti a risposta aperta e item-caso.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di reperire e consultare autonomamente le banche dati biologiche e strutturali e la letteratura scientifica primaria, così da aggiornare le proprie conoscenze su tecnologie omiche caratterizzate da rapidissima evoluzione, e di proseguire in autonomia lo studio di una specifica piattaforma o applicazione. Attività specifiche: esercitazioni guidate di interrogazione delle banche dati; dimostrazioni guidate al calcolatore su docking e analisi dei dati; approfondimento individuale su un articolo scientifico assegnato; quiz di autovalutazione con feedback.

Il modulo si svolge in 47 ore, articolate in Didattica Erogativa (≈33 ore) e Didattica Interattiva (≈14 ore), secondo il principio dell'allineamento fra risultati di apprendimento attesi, attività didattiche e modalità di verifica.

Didattica Erogativa (≈33 ore)

Lezioni frontali con supporto di presentazioni, destinate alla presentazione dei fondamenti teorici, delle basi strumentali e delle piattaforme tecnologiche. Concorrono prevalentemente al conseguimento dei risultati di conoscenza e comprensione.

Didattica Interattiva (≈14 ore)

• Analisi e discussione guidata di casi di studio in ambito patologico: a partire da un quesito reale di ricerca farmacologica, gli studenti scelgono l'approccio omico, ne motivano le tecniche e ne discutono i limiti. Concorre ai risultati applicativi e all'autonomia di giudizio.

• Interpretazione guidata di dati reali: spettri di massa, profili di espressione, mappe di calore e output di docking, discussi collettivamente in aula. Concorre ai risultati applicativi.

• Lettura critica e discussione di articoli scientifici primari, con confronto fra pari sui punti di forza e sui limiti metodologici. Concorre all'autonomia di giudizio, alle abilità comunicative e alla capacità di apprendimento.

• Dimostrazioni guidate al calcolatore, condotte dal docente in aula con partecipazione degli studenti, su docking molecolare (preparazione del bersaglio e del ligando, esecuzione, lettura del punteggio e della posa) e su analisi di un dataset omico (normalizzazione, analisi delle componenti principali, clustering, arricchimento di vie). Concorrono ai risultati applicativi e alla capacità di apprendimento.

• Quiz interattivi di richiamo e autovalutazione, somministrati con strumenti di risposta in tempo reale all'inizio o al termine delle lezioni, seguiti da discussione delle risposte errate (peer instruction). Hanno funzione formativa e non concorrono al voto d'esame.

• Esercitazioni guidate di interrogazione delle banche dati biologiche e strutturali. Concorrono alla capacità di apprendimento.

• Approfondimento individuale su un articolo scientifico assegnato, svolto in autonomia e restituito in aula nell'ambito della discussione fra pari. Concorre alla capacità di apprendimento e alle abilità comunicative.

La scelta di affiancare alla didattica erogativa una quota consistente di didattica interattiva discende direttamente dalla natura dei risultati attesi: poiché il modulo richiede non solo la conoscenza delle piattaforme omiche ma anche la capacità di selezionarle, di interpretarne gli output e di argomentarne l'uso su un caso reale, tali competenze non possono essere sviluppate con la sola lezione espositiva.

Il modulo è English-friendly: parte del materiale didattico, la letteratura scientifica di riferimento e le banche dati utilizzate sono in lingua inglese.

Gli studenti e le studentesse possono utilizzare l’IA come strumento di supporto allo studio, nel rispetto della normativa vigente, ivi inclusa quella in materia di diritto d’autore e di utilizzo delle opere dell’ingegno come descritto nel punto 5.1 delle linee guida (https://www.unict.it/it/ateneo/cidia-centro-l%E2%80%99informatica-la-digitalizzazione-e-l%E2%80%99intelligenza-artificiale).

Conoscenze indispensabili: struttura e organizzazione del genoma, geni e DNA; tipologie di RNA e relative funzioni; modificazioni epigenetiche e principi di epigenetica; proteine e proteoma; metaboliti e principali vie metaboliche.

Conoscenze utili: nozioni di base di chimica analitica (principi delle tecniche di separazione e di rilevazione); elementi di statistica descrittiva (media, varianza, correlazione, test di ipotesi); familiarità con l'uso del calcolatore e con la lettura di testi scientifici in lingua inglese.

Le conoscenze sopra elencate costituiscono propedeuticità culturali; non sono previste propedeuticità formali. Lo studente che non le possieda potrà colmare le lacune con il materiale di allineamento reso disponibile all'avvio del modulo.

La frequenza non è obbligatoria, secondo quanto previsto dal Regolamento didattico del Corso di Studio.

Ma la partecipazione attiva alle lezioni è inoltre determinante ai fini del raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi: le attività di didattica interattiva (analisi dei casi, interpretazione guidata dei dati, dimostrazioni al calcolatore, discussione degli articoli) si svolgono in aula e costituiscono la principale occasione di sviluppo delle competenze applicative e dell'autonomia di giudizio, che sono oggetto di valutazione nell'item-caso della prova scritta.

Il modulo (47 ore) è articolato in dieci nuclei tematici con progressione dal fondamento tecnico all'applicazione su caso patologico reale. Le ore indicate comprendono sia la didattica erogativa sia quella interattiva.

1. Il paradigma omico (4 h). Esigenze scientifiche all'origine delle scienze omiche; approccio ipotesi-driven e approccio data-driven; il dogma centrale come mappa dei livelli omici; e-science, alta processività e riproducibilità; il flusso di lavoro omico (disegno sperimentale, generazione del dato, pre-processamento, analisi, validazione); dal dato al bersaglio farmacologico.

2. Tecniche di separazione (5 h). Elettroforesi mono- e bidimensionale, elettroforesi capillare; cromatografia: principi, gas cromatografia, HPLC e UHPLC, fasi stazionarie e mobili, parametri di ritenzione ed efficienza; criteri di scelta della tecnica in funzione della matrice biologica.

3. Spettrometria di massa (8 h). Principi teorici e componenti dello strumento; sorgenti di ionizzazione (EI, ESI, MALDI); analizzatori (quadrupolo, trappola ionica, tempo di volo, Orbitrap) e loro prestazioni (risoluzione, accuratezza di massa, intervallo dinamico); rivelatori; spettrometria di massa tandem e frammentazione; accoppiamenti GC-MS e LC-MS; interpretazione dello spettro; approcci di quantificazione (label-free e con marcatura isotopica).

4. Genomica (5 h). Basi teoriche; sequenziamento di Sanger ed evoluzione delle tecnologie; sequenziamento shotgun; sequenziamento ad alta processività (NGS) e sequenziamento a lettura lunga; assemblaggio, annotazione e analisi del genoma; banche dati genomiche. Applicazioni: genomica strutturale e funzionale, sistemi modello, studi di associazione genome-wide, farmacogenomica e medicina di precisione.

5. Trascrittomica (4 h). Isolamento e controllo di qualità dell'RNA; analisi seriale e cap-analysis dell'espressione genica; microarray; RNA-Seq e cenni di trascrittomica a singola cellula. Applicazioni: diagnostica, trascrittomica umana e patologica, risposta allo stress ambientale, studio della funzione genica, invecchiamento; identificazione di firme trascrizionali per il riposizionamento dei farmaci.

6. Epigenomica (4 h). Metilazione del DNA e tecniche di rilevazione (conversione al bisolfito, rilevazione diretta); modificazioni istoniche; ChIP-chip e ChIP-seq; approcci genome-wide e locus-specifici; saggi di accessibilità della cromatina. Applicazioni: epigenetica del cancro, biomarcatori epigenetici, farmaci epigenetici.

7. Proteomica (5 h). Identificazione proteica con e senza anticorpi; tecnologie ibride; proteomica di espressione; interattomica e reti proteiche; proteogenomica; analisi della struttura proteica; analisi delle modificazioni post-traduzionali; identificazione e validazione di biomarcatori proteici; deconvoluzione del bersaglio e chemical proteomics.

8. Metabolomica (4 h). Metodi di separazione e metodi di rilevazione (spettrometria di massa e risonanza magnetica nucleare); approcci mirati e non mirati; metodi statistici per i dati metabolomici; annotazione dei metaboliti e banche dati. Applicazioni: fenotipizzazione metabolica, farmacometabolomica, tossicologia.

9. Bioinformatica e modellistica molecolare (5 h). Banche dati biologiche e strutturali (NCBI, UniProt, Protein Data Bank, ChEMBL); allineamento di sequenza e ricerca di similarità; modellazione per omologia; campi di forza, minimizzazione dell'energia e cenni di dinamica molecolare; docking molecolare, funzioni di punteggio, virtual screening. Dimostrazione guidata al calcolatore su un bersaglio reale.

10. Analisi e integrazione dei dati omici (3 h). Pre-processamento e normalizzazione; analisi dell'espressione differenziale e correzione per test multipli; analisi multivariata (analisi delle componenti principali) e clustering; analisi di arricchimento di vie metaboliche e di segnale; integrazione multi-omica; limiti, falsi positivi e riproducibilità. Dimostrazione guidata al calcolatore su un dataset reale.

Applicazioni in ambito patologico e studio di casi: trattate in modalità interattiva e distribuite trasversalmente nei nuclei 4–10 (≈6 delle 14 ore di didattica interattiva), con almeno un caso integrato conclusivo che percorre l'intera filiera dal dato omico alla proposta del candidato farmaco.

Testo di riferimento

1. Arivaradarajan P., Misra G. — Omics Approaches, Technologies and Applications. Springer, 2018.

Testi consigliati per l'approfondimento

2. de Hoffmann E., Stroobant V. — Mass Spectrometry: Principles and Applications, 3ª ed., Wiley, 2007 (per i nuclei 2 e 3).

3. Leach A. R. — Molecular Modelling: Principles and Applications, 2ª ed., Pearson, 2001 (per il nucleo 9).

4. Pevsner J. — Bioinformatics and Functional Genomics, 3ª ed., Wiley, 2015 (per i nuclei 4, 5, 9 e 10).

Materiale didattico integrativo

5. Materiale fornito dal docente e reso disponibile sulla piattaforma Studium: presentazioni delle lezioni, articoli scientifici selezionati per la discussione in aula, dataset e schede di lettura dei casi di studio, guide all'interrogazione delle banche dati.

Struttura della prova

La verifica dell'apprendimento avviene mediante una prova scritta unica, della durata di 60 minuti, articolata in tre sezioni:

Il punteggio massimo conseguibile è pari a 30 punti; il totale è arrotondato all'intero più vicino. La prova si intende superata con un punteggio complessivo pari o superiore a 18/30 e con un punteggio non inferiore a 4/12 nella sezione C: quest'ultima è infatti l'unica sezione che consente di accertare i risultati di apprendimento di tipo applicativo e l'autonomia di giudizio, e non può pertanto essere omessa. La lode è attribuita agli studenti che, avendo conseguito il punteggio pieno (30/30 prima dell'arrotondamento), dimostrino nell'item-caso della sezione C particolare originalità nell'argomentazione e padronanza critica dei limiti metodologici.

La prova si svolge senza l'ausilio di libri, appunti o dispositivi elettronici. La valutazione conseguita ha validità limitata alla singola sessione d'esame.

Prove in itinere

Nel corso delle lezioni sono somministrati quiz di richiamo e autovalutazione (domande a risposta multipla e a risposta breve) con discussione immediata delle risposte. Tali prove hanno esclusiva funzione formativa e di autovalutazione: non sono valutate e non concorrono in alcun modo al voto finale.

Criteri di attribuzione del voto

Insegnamento integrato

Il presente modulo fa parte dell'insegnamento integrato «Ricerca e Sviluppo di Farmaci Biologici e “Small Molecules”». La verifica dell'apprendimento è progettata in modo unitario e integrato dai docenti dei moduli, sotto il coordinamento del docente responsabile dell'insegnamento. Il voto finale dell'insegnamento integrato è determinato dalla media delle valutazioni conseguite nei singoli moduli, ponderata sui rispettivi crediti.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Sezione A — esempi di quesiti a risposta multipla

• Quale sorgente di ionizzazione è più indicata per l'analisi di peptidi in accoppiamento on-line con la cromatografia liquida? (a) impatto elettronico; (b) electrospray; (c) MALDI; (d) ionizzazione chimica.

• La conversione al bisolfito è impiegata per lo studio di: (a) modificazioni istoniche; (b) metilazione del DNA; (c) accessibilità della cromatina; (d) interazioni proteina-proteina.

• In un esperimento di RNA-Seq, la correzione per test multipli serve a: (a) normalizzare la profondità di lettura; (b) limitare i falsi positivi dovuti alla molteplicità dei test; (c) eliminare i duplicati di PCR; (d) allineare le letture al genoma.

Sezione B — esempi di quesiti a risposta aperta

• Descriva i principali analizzatori impiegati in spettrometria di massa, confrontandoli in termini di risoluzione, accuratezza di massa e intervallo dinamico, e indichi per ciascuno un'applicazione tipica nelle scienze omiche.

• Illustri le basi tecnologiche della proteomica di espressione senza anticorpi, dalla preparazione del campione all'identificazione della proteina, e spieghi quali informazioni essa fornisce che la trascrittomica non è in grado di dare.

• Spieghi che cosa si intende per docking molecolare, quali sono le sue componenti (campionamento delle pose e funzione di punteggio) e quali sono i suoi limiti principali nella progettazione razionale di un farmaco.

Sezione C — esempi di item-caso

• In una coorte di pazienti affetti da un adenocarcinoma trattato con un inibitore di chinasi si osserva l'insorgenza di resistenza acquisita in assenza di mutazioni note nel bersaglio. Progetti una strategia omica per identificare il meccanismo di resistenza e un possibile nuovo bersaglio farmacologico: indichi quale livello (o quali livelli) omici interrogherebbe e perché, quali tecniche impiegherebbe, come integrerebbe i dati, come validerebbe il bersaglio candidato e come procederebbe alla ricerca di un ligando. Discuta almeno due limiti della strategia proposta.

• Un farmaco già in commercio per una patologia cardiovascolare mostra, in studi osservazionali, un possibile effetto protettivo su una malattia neurodegenerativa. Descriva come utilizzerebbe le firme trascrizionali e la proteomica per verificare l'ipotesi di riposizionamento e per identificare il bersaglio molecolare responsabile dell'effetto. Motivi la scelta rispetto ad approcci alternativi.

• Le viene fornito il profilo metabolomico non mirato di due gruppi di pazienti (responder e non-responder a una terapia) e la relativa analisi delle componenti principali, che mostra una separazione parziale dei due gruppi. Interpreti il risultato, indichi quali cautele metodologiche adotterebbe prima di dichiarare l'esistenza di un biomarcatore di risposta e proponga il passo sperimentale successivo.