Biofarmaceutica e Sviluppo Formulativo (B-forDev Lab)

Macroarea: Tecnologia Farmaceutica

Settori ERC: LS7_4 Regenerative medicine; LS1_1 Macromolecular complexes including interactions involving nucleic acids, proteins, lipids and carbohydrates; PE5_7 Biomaterials synthesis; PE5_6 New materials: oxides, alloys, composite, organic-inorganic hybrid, nanoparticles

Referenti: Silvia Rossi (PO), Giuseppina Sandri (PA), Barbara Vigani (RTDb)

Junior Staff: Dalila Miele (Assegnista), Marco Ruggeri (Dottorando), Caterina Valentino (Dottoranda), Eleonora Bianchi (Dottoranda), Cristian Nomicisio (Dottorando), Daniele Colombo (Borsista), Ilaria Fedeli (Borsista)

1. Progettazione e sviluppo formulativo di scaffold per la riparazione tissutale cutanea

Lo scopo della ricerca è progettare e sviluppare piattaforme terapeutiche flessibili per promuovere la guarigione delle ferite cutanee e prevenire o trattare l'infezione in ferite croniche. Sostituti dermici per impianto (scaffold) sono preparati mediante processi facilmente scalabili, come elettrofilatura, centrifugal spinning e spray-drying; sono allo studio anche scaffold preparati mediante liofilizzazione. Tali sistemi sono progettati per possedere una struttura tridimensionale in grado di favorire l’adesione e proliferazione cellulare e la produzione di matrice extracellulare, in modo da ripristinare il tessuto nativo durante la degradazione del sistema. Sono oggetto di studio processi preparativi green e materiali innovativi caratterizzati da adeguate proprietà meccaniche e completa degradazione in vivo. Tra questi sono considerati biomateriali di origine polisaccaridica (ad esempio, chitosani, gomme, alginati, maltodestrine, destrani e carragenani) che, grazie alla loro biocompatibilità, bassa tossicità e bioattività, sono in grado di favorire il processo di guarigione. Attivi biologici, come fattori di crescita, e/o antibatterici (anche di origine inorganica) sono talvolta considerati per migliorare l'efficacia degli scaffold sviluppati.

2. Progettazione e sviluppo formulativo di piattaforme terapeutiche per il trattamento di lesioni al sistema nervoso

Lo scopo della ricerca è lo sviluppo di sistemi terapeutici innovativi da applicare localmente al sito di danno e in grado di combinare un approccio neurorigenerativo e neuroprotettivo. Tali sistemi, grazie alla loro struttura fibrosa e/o multi-canale, sono in grado di mimare l’architettura della matrice extracellulare, fornendo un supporto meccanico e trofico alle cellule nervose tale da promuovere il recupero e la riorganizzazione della connettività neuronale. Le dimensioni delle fibre e dei canali sono opportunamente indagate in fase di progettazione a seconda della lesione e del tessuto nervoso di applicazione (centrale o periferico). I sistemi sviluppati hanno, inoltre, la capacità di veicolare e controllare il rilascio di candidati farmaci o molecole biologiche in grado di ridurre l’eccitotossicità glutammatergica, di prevenire il danno ossidativo e di modulare la sovra-espressione di citochine pro-infiammatorie in sede di lesione.

3. Progettazione e sviluppo di sostituti del tessuto tendineo

Lo scopo della ricerca si focalizza sullo sviluppo di scaffold a base di polimeri, sia naturali che sintetici, aventi la capacità di mimare le funzioni strutturali, biomeccaniche e biochimiche della matrice extracellulare, mimando di conseguenza i tessuti nativi. Gli scaffold sono prodotti mediante elettrofilatura, un metodo semplice, versatile ed economico per filare materiali polimerici mediante l’applicazione di un campo elettrico ad alta tensione, che permette di generare fibre con diametri nell’ordine dei nano o micrometri. In particolare, l’elettrofilatura consente la generazione di scaffold porosi formati da nanofibre allineate adatti alla rigenerazione del tessuto tendineo. Sono in studio anche prototipi prepararti mediante liofilizzazione. I polimeri vengono combinati con vari materiali organici e inorganici al fine di aumentare le proprietà meccaniche e la biocompatibilità del sistema, migliorando l'adesione, la proliferazione e la differenziazione cellulare e, di conseguenza, il potenziale di guarigione dei tessuti.

4. Progettazione e sviluppo di sistemi bioadesivi e gelificabili in situ 

Lo scopo della ricerca è la progettazione e sviluppo di sistemi bioadesivi e gelificabili in situ per il trattamento locale di stati infiammatori o infezioni a carico delle mucose dell’organismo (buccale, esofagea, intestinale e vaginale). Dipendentemente dalla condizione patologica da risolvere, i suddetti sistemi sono progettati al fine di veicolare agenti antimicrobici, composti ad azione antinfiammatoria e probiotici.

5. Progettazione e sviluppo di sistemi compositi per il trattamento del glioblastoma multiforme

Lo scopo della ricerca è quello di progettare sistemi da applicare localmente in sede di resezione chirurgica del tumore. Tali sistemi sono composti da nanosistemi lipidici caricati con candidati farmaci ad azione anti-proliferativa e veicolati in una matrice polimerica (fibre elettrofilate o formulazioni gelificabili in situ e mucoadesive) di facile applicazione. La graduale degradazione della matrice polimerica esterna garantisce un rilascio controllato dei nanosistemi caricati con l’attivo, che, grazie alle loro dimensioni e alle loro proprietà di superficie, possono stabilire un intimo contatto con le cellule tumorali.

• Ruggeri M., Bianchi E., Rossi S., Boselli C., Icaro Cornaglia A., Malavasi L., Carzino R., Suarato G., Sánchez-Espejo R., Athanassiou A., Viseras C., Ferrari F., Sandri G. Maltodextrin-amino acids electrospun scaffolds cross-linked with Maillard-type reaction for skin tissue engineering. Materials Science and Engineering 2021; Article number 112593. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112593
• Faccendini A., Bianchi E., Ruggeri M., Vigani B., Perotti C., Pavesi F.C., Caliogna L., Natali F., Del Favero L., Cantù L., Ferrari F., S. Rossi, G. Sandri. Smart device for biologically enhanced functional regeneration of osteo–tendon interface. Pharmaceutics 2021; 13, 12, Article number 1996. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13121996
• Vigani B., Valentino C., Sandri G., Listro R., Fagiani F., Collina S., Lanni C., Bonferoni M.C., Caramella C.M., Rossi S., Ferrari F. A Composite Nanosystem as a Potential Tool for the Local Treatment of Glioblastoma: Chitosan-Coated Solid Lipid Nanoparticles Embedded in Electrospun Nanofibers. Polymers (Basel) 2021; 13(9):1371. https://doi.org/10.3390/polym13091371
• Vigani B., Valentino C., Cavalloro V., Catenacci L., Sorrenti M., Sandri G., Bonferoni M.C., Bozzi C., Collina S., Rossi S., Ferrari F. Gellan-Based Composite System as a Potential Tool for the Treatment of Nervous Tissue Injuries: Cross-Linked Electrospun Nanofibers Embedded in a RC-33-Loaded Freeze-Dried Matrix. Pharmaceutics 2021; 13(2): 164. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13020164
• Sandri G., Faccendini A., Longo M., Ruggeri M., Rossi S., Bonferoni,M.C., Miele D., Prina-Mello A., Aguzzi C., Viseras C., Ferrari F. Halloysite- and Montmorillonite-Loaded Scaffolds as Enhancers of Chronic Wound Healing. Pharmaceutics 2020; 12, 179. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12020179
• Vigani B., Rossi S., Sandri G., Bonferoni M.C., Rui M., Collina S., Fagiani F., Lanni C., Ferrari F. Dual-Functioning Scaffolds for the Treatment of Spinal Cord Injury: Alginate Nanofibers Loaded with the Sigma 1 Receptor (S1R) Agonist RC-33 in Chitosan Films. Marine Drugs 2019; 18(1): E21. https://doi.org/10.3390/md18010021
• Sandri G., Rossi S., Bonferoni M.C., Miele D., Faccendini A., Del Favero E., Di Cola E., Icaro Cornaglia A., Boselli C., Luxbacher T., Malavasi L., Cantù L., Ferrari F. Chitosan/glycosaminoglycan scaffolds for skin reparation. Carbohydrate Polymers 2019; 220, 219-227. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.05.069
• Sandri G., Miele D., Faccendini A., Bonferoni M.C., Rossi S., Grisoli P., Taglietti A., Ruggeri M., Bruni G., Vigani B., Ferrari F. Chitosan/glycosaminoglycan scaffolds: The role of silver nanoparticles to control microbial infections in wound healing. Polymers 2019; 11, Article number 1207. https://doi.org/10.3390/polym11071207
• Vigani B., Rossi S., Sandri G., Bonferoni M.C., Milanesi G., Bruni G., Ferrari F. Coated electrospun alginate-containing fibers as novel delivery systems for regenerative purposes. International Journal of Nanomedicine 2018; 13: 6531-6550. https://doi.org/10.2147/IJN.S175069
• Rossi S., Mori M., Vigani B., Bonferoni M.C., Sandri G., Riva F., Caramella C., Ferrari F. A novel dressing for the combined delivery of platelet lysate and vancomycin hydrochloride to chronic skin ulcers: Hyaluronic acid particles in alginate matrices. European Journal of Pharmaceutical Sciences 2018; 118: 87-95. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2018.03.024

Collaborazioni Nazionali

• Dr. A. Athanassiou - Istituto Italiano di Tecnologia
• Prof. L. Cantù e E. Del Favero – Università degli Studi di Milano Statale
• Prof. N. Mandras – Università degli Studi di Torino
• Prof. S. Riela – Università degli Studi di Palermo
• Prof. B Onida e F. Bosco – Politecnico di Torino

Collaborazioni Internazionali

• Prof. S. Simoes - University of Coimbra, Portugal
• Prof. C. Viseras e C. Aguzzi - University of Granada, Spain
• Prof. H.A. Santos - University of Groningen, The Netherlands
• Prof. E. Csányi, S. Berko e M. Sucsz - University of Szged, Hungary
• Prof. A. Prina Mello - Trinity College Dublin, Ireland
• Prof. L. Black - Tufts University, Medford, MA, USA
• Prof D. Carugo - University College London, UK
• Prof. R. Donnelly e Dr A. Paredes - Queen’s University Belfast, UK

• European Commission H2020-NMBP-HUBS-2018, Project ID: 814607 “Safety testing in the life cycle of nanotechnology-enabled medical technologies for health” (UNIPV. 48 months; total grant EU: 14.534 k€; UNIPV grant 487 k€ (2019-2023)
• Fondazione University4Innovation – U4I: Progetto “Chondroitin sulfate scaffold for skin engineering” Coordinatore del gruppo di ricerca, 18 mesi, grant: 60 k€ (2019-2021)
• Studio di biocompatibilità in vitro e due diligence per un sistema innovativo di drug delivery per il trattamento del carcinoma della vescica. Commissionato da CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Istituto di Farmacologia Translazionale, con sede a Roma. 2021-2022

Competenza nello sviluppo formulativo di: i) micro- e nanoparticelle polimeriche (Mini Spray Dryer 191 – Büchi; Nano Spray Dryer B-90 HP – Büchi), ii) micro- e nanofibre con orientamento casuale o allineato (apparecchiatura per elettrofilatura - STKIT-40 Linari Engineering – dotata di collettore piatto, collettori cilindrici rotanti con diverso diametro e sistema per la produzione di fibre core-shell; l’apparecchiatura è collocata in una cappa con controllo della temperatura e monitoraggio dell’umidità), iii) nanosistemi lipidici (Solid Lipid Nanoparticles, SLN, Nanostructured Lipid Carriers, NLC), iv) sistemi gelificabili in situ e/o mucoadesivi e v) matrici polimeriche (film, matrici porose e sistemi multi-canale).

Esperienza consolidata nell’utilizzo delle seguenti apparecchiature per la caratterizzazione delle formulazioni sviluppate: i) Particle Size and Zeta Potential Analyzer Litesizer 500 (Anton Paar) per la determinazione delle dimensioni e del potenziale di superficie di sistemi colloidali, ii) Malvern Mastersizer 3000E (Alfatest) per l’analisi granulometrica di sistemi particellari e dispersioni liquide, iii) reometro rotazionale MCR 102 (Anton Paar) per lo studio del comportamento reologico di sistemi liquidi e semi-solidi (viscosità, viscoelasticità, tissotropia, sinergismo reologico), iv) tensiometro DyneMaster DY-300 (Kyowa) per la misura della tensione superficiale e interfacciale di soluzioni, v) conduttimetro FiveGo F3 (Mettler Toledo) per la valutazione della conducibilità di soluzioni, vi) TA.XT plus Texture Analyzer (Stable MicroSystems) per lo studio delle proprietà meccaniche di solidi (sia in tensione che in compressione) e delle proprietà adesive e bioadesive di solidi e semi-solidi, vii) apparecchiatura del piano inclinato per la valutazione delle proprietà mucoadesive di liquidi e semi-solidi, viii) cella di Franz modificata per misure di lavabilità su substrato biologico ix) SurPASS 3 (Anton Paar) per l’analisi elettrocinetica di superfici solide, x) celle di diffusione di Franz (con superficie di contatto piana o dotata di o-ring) (Permegear) per studi di rilascio in vitro e valutazione delle proprietà di idratazione.

Competenza nell’elaborazione statistica dei dati e nell’impostazione ed analisi di disegni sperimentali (DoE) mediante software dedicato (Statgraphics).

Esperienza continuativa nell’uso di svariate linee cellulari a) fibroblasti del derma umano, cheratinociti, cellule endoteliali (HUVEC), monociti, tenociti (Ten-1), osteoblasti (HOB), cellule di Schwann (SCs), cellule staminali mesenchimali umane isolate da tessuto adiposo (hASC), cellule HeLa, cellule Caco-2 e cellule Saos-2 per studi biofarmaceutici in vitro (studi di citotossicità e proliferazione cellulare). Apparecchiature per studi in vitro su linee cellulari: cappa a flusso laminare (Space 2 Ergosafe, Pbi Int.), incubatore O2/CO2 (mod. 5215, Pbi Int.), microscopio a ottica inversa (mod. PQ 10.8, Pbi Int.), autoclave (Alfa Junior, Pbi Int.), centrifuga (mod. TC6, Sorvall). Competenze acquisite: preparazione di terreni di coltura, semina, espansione, congelamento e scongelamento di cellule, impiego di test di vitalità cellulare (MTT, Alamar Blue) e di wound healing (utilizzo di inserti per valutare la capacità di gap closure), utilizzo di kit ELISA, fissazione e colorazione di campioni cellulari per indagini mediante microscopia elettronica a scansione e microscopia confocale.