Imaging

(Pannello superiore) Nanoparticelle inorganiche fluorescenti e nanostrutture organiche per “imaging” e sensoristica in ambiente intra ed extra cellulare. (Pannello inferiore) Network vascolari e neuronali di midollo spinale di topo: Tomografia a Contrasto di Fase a raggi X (XPCT). Da sinistra: distribuzione longitudinale di moto-nuclei; interfaccia materia bianca-grigia dove gli assoni entrano nelle cellule neuronali; XPCT di singolo soma di neuroni, XPCT di materia bianca e grigia; visione radiale e longitudinale di un network vascolare.
(Pannello superiore) Nanoparticelle inorganiche fluorescenti e nanostrutture organiche per “imaging” e sensoristica in ambiente intra ed extra cellulare. (Pannello inferiore) Network vascolari e neuronali di midollo spinale di topo: Tomografia a Contrasto di Fase a raggi X (XPCT). Da sinistra: distribuzione longitudinale di moto-nuclei; interfaccia materia bianca-grigia dove gli assoni entrano nelle cellule neuronali; XPCT di singolo soma di neuroni, XPCT di materia bianca e grigia; visione radiale e longitudinale di un network vascolare.

Presso l’Istituto NANOTEC sono disponibili diverse tecniche per la visualizzazione ad elevate risoluzione di biomolecole, cellule vive e tessuti. Si utilizzano molecole organiche e nanocristalli semiconduttori, opportunamente ingegnerizzati, per studi di fluorescenza (par. 3.1), tecniche di microscopia a scansione di sonda e relative spettroscopie, infine ottica a raggi-X e imaging a raggi-X.

Sistemi fluorescenti per l’analisi di cellule e tessuti

Produciamo diversi tipi di materiali fluorescenti per la visualizzazione in vitro e in vivo di cellule e tessuti e lo studio di parametri intra- ed extracellulari in tempo reale. Due classi di materiali in uso includono i fluorofori tiofeneci organici e i nanocristalli semiconduttori (quantum dots, QDs, e quantum rods, QRs). Entrambe queste classi di materiali possono essere somministrati alle colture cellulari o tessuti ed essere visualizzati mediante tecniche standard di microscopia a fluorescenza. Rispetto ai fluorofori organici presenti in commercio i tiofeni e i nanocristalli non sono tossici, vengono internalizzati rapidamente dalle cellule dove permangono a lungo, non subiscono alterazioni strutturali-funzionali a causa del microambiente, posseggono una maggiore intensità di fluorescenza, hanno spettri di emissione che possono essere acquisiti in un range che va dai 600 ai 900 nm, intervallo di lunghezze d’onda compatibile con l’imaging in vivo. Un’altra classe di materiali fluorescenti è rappresentata dai sensori raziometrici a base di capsule polimeriche contenenti sonde fluorescenti nella cavità. Questa tipologia di sensori consente da un lato di superare alcuni dei principali limiti legati all’uso di sonde nude (per es., inattivazione o compartimentalizzazione intracellulare, legami non specifici con molecole non target, tossicità), dall’altro di misurare e quantificare le concentrazioni di diversi analiti biologici, quali ioni o metaboliti, in tempo reale nello spazio intra- ed extracellulare.

Caratterizzazione a nanoscala di biomateriali e superfici nanostrutturate

Si utilizzano tecniche di microscopia a scansione di sonda, quali microscopia a forza atomica (AFM), Microscopia a scansione di tunneling (STM), microscopia a scansione elettronica (SEM), microscopia a trasmissione elettronica (TEM), e microscopia confocale a scansione laser (CLSM) per studiare le proprietà morfologiche, chimico-fisiche e strutturali di nano(bio)materiali e superfici nanostrutturate. Mediante l’uso di STM, AFM e spettroscopia di forza basata su AFM, sono state caratterizzate le proprietà morfologiche, meccaniche e di trasporto elettrico in film di proteine a stato solido e in fibrille di peptidi auto-assemblanti utili per la realizzazione di ponti in giunzioni molecolari ibride. In altri studi, sono state realizzate superfici biomimetiche e biocompatibili con rigidità controllata e dotate di un rivestimento polimerico utilizzabili per guidare la crescita delle cellule in geometrie (patterns) controllate, controllandone la proliferazione e differenziazione cellulare con importanti applicazioni nel settore della medicina rigenerativa.

Imaging biomedico

Il gruppo di Roma ha esperienza in ottica e imaging a raggi X. Negli ultimi anni sta sfruttando queste competenze per sviluppare un imaging biomedico per lo studio di malattie neurodegenerative. In particolare, i danni del network di vascolarizzazione (VN) e di quello neuronale (NN) del midollo spinale sono responsabili di gravi patologie neurodegenerative. Lo studio dettagliato della struttura completa dei VN e NN rappresenta un problema cruciale, attualmente limitato dalla inadeguatezza degli strumenti di indagine. Le tecniche convenzionali di imaging 2D sono limitate dalla copertura spaziale incompleta che comporta possibili errori di interpretazione dei dati, mentre la tomografia computerizzata convenzionale 3D raggiunge risoluzione e contrasto insufficienti per lo studio dettagliato dei due networks. La tomografia a raggi X a contrasto di fase ad alta risoluzione (XPCT) permette la visualizzazione simultanea tridimensionale del VN e NN del midollo spinale di topi ex-vivo su scale di lunghezza che vanno dal millimetro a centinaia di nanometri, senza la necessità né di agente di contrasto né di sezionamento o preparazione aggressiva del campione. Grazie alla XPCT possiamo studiare la distribuzione 3D della rete di micro-capillari, delle fibre nervose micrometriche, dei fasci di assoni fino ad arrivare allo studio del singolo soma del neurone. L’elevata qualità delle immagini ottenute permette uno studio quantitativo che consente l’estrazione di informazioni biomediche fondamentali.

Abbiamo applicato la XPCT allo studio di degenerazioni nelle reti vascolari e neuronali del midollo spinale colpite da encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE), un modello animale di sclerosi multipla. Gli studi preclinici hanno dimostrato che la terapia basata sulle cellule staminali mesenchimali (MSC) migliora l’EAE. Abbiamo analizzato i danni su scala sub-micron nel VN e NN in topi affetti da EAE con e senza il trattamento con le MSC. Il nostro successo sta nel fatto di aver esplorato il deficit di vascolarizzazione anche all’interno della rete di capillari, mai rilevato prima, e che questo deficit viene ridotto con il trattamento MSC. Allo stesso modo, i nostri risultati mostrano che l’attacco alla mielina e ai neuroni viene ridotto dalla somministrazione MSC.
Questo studio apre la strada allo studio avanzato di malattie del sistema nervoso centrale immunomediate, e ad un accurato monitoraggio dell’efficacia di trattamenti in fase sperimentale.

Facilities & Labs

Lab di Caratterizzazione @ Lecce

Bio Lab @ Lecce

Toma Lab @ Roma

People

Loretta_delMercatoLoretta L.

del Mercato

Ricercatore CNR

Ilaria_PalamaIlaria E.

Palamà

Ricercatore CNR

michelaMichela

Fratini

Ricercatore CNR

Barbara_CorteseBarbara

Cortese

Ricercatore CNR

Alessandra_QuartaAlessandra

Quarta

Ricercatore CNR

fabrizioFabrizio

Bardelli

Ricercatore Associato

cedolaAlessia

Cedola

Ricercatore CNR

lorenzo_3

Lorenzo

Massimi

PostDoc CNR

brun_2Francesco

Brun

PostDoc CNR

Publications

  1. L. L. del Mercato, F. Guerra, G. Lazzari, C. Nobile, C. Bucci, R. Rinaldi. Biocompatible multilayer capsules engineered with a graphene oxide derivative: synthesis, characterization and cellular uptake. Nanoscale. 8, 7501-7512 (2016). ISSN: 2040-3372; doi: 10.1039/C5NR07665J.
  2. I. Bukreeva, A. Mittone, A. Bravin, G. Festa, M. Alessandrelli, P. Coan, V. Formoso, R.G. Agostino, M. Giocondo, F. Ciuchi, M. Fratini, L. Massimi, A. Lamarra, C. Andreani, R. Bartolino, G. Gigli, G. Ranocchia, A. Cedola. Virtual unrolling and deciphering of Herculaneum papyri by X-ray phase-contrast tomography, Scientific Reports 6, 27227 (2016). ISSN: 2045-2322; doi: 10.1038/srep27227
  3. L. L. del Mercato, M. M. Ferraro, F. Baldassarre, S. Mancarella, V. Greco, R. Rinaldi, S. Leporatti. Biological Applications of LbL Multilayer Capsules: From Drug Delivery to Sensing. Advances in Colloids and Interface Science, 207, 139–154, (2014). ISSN: 0001-8686; doi: 10.1016/j.cis.2014.02.014.
  4. De Luca, M.M. Ferraro, R. Hartmann, P. Pilar Rivera-Gil, A. Klingl, M. Nazarenus, A. Ramirez, W.J. Parak, C. Bucci, R. Rinaldi, L.L. del Mercato. Advances in Use of Capsule-Based Fluorescent Sensors for Measuring Acidification of Endocytic Compartments in Cells with Altered Expression of V-ATPase Subunit V1G1. ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 15052−15060 (2015). ISSN 1944-8244; doi: 10.1021/acsami.5b04375.
  5. L. L. del Mercato, M. Moffa, R. Rinaldi, D. Pisignano. Ratiometric Organic Fibers for Localized and Reversible Ion Sensing with Micrometer-Scale Spatial Resolution. Small, 11, 6417-6424 (2015). ISSN: 1613-6810; doi: 10.1002/smll.201502171.
  6. M. Fratini, G. Bukreeva, F. Campi, G. Brun, P. Tromba, D. Modregger, G. Bucci, R. Battaglia, M. Spanò, H. Mastrogiacomo, F. Requardt, A. Giove, A. Bravin and A. Cedola. Simultaneous submicrometric 3D imaging of the micro-vascular network and the neuronal system in a mouse spinal cord. Scientific Reports 5, 8514 (2015). ISSN: 2045-2322; doi: 10.1038/srep08514.
  7. M. Fratini, I. Bukreeva, G. Campi, F. Brun, G. Tromba, P. Modregger, D. Bucci, G. Battaglia, R. Spanò, M. Mastrogiacomo, H. Requardt, F. Giove, A. Bravin, A. Cedola Simultaneous submicrometric 3D imaging of the micro-vascular network and the neuronal system in a mouse spinal cord, Scientific Reports 5, 8514 (2015)ISSN: 2045-2322; doi: 10.1038/srep10771
  8. M. Fratini, I. Bukreeva, G. Campi, R. Spano’, M. Mastrogiacomo, F. Brun, G. Tromba, F. Giove, A. Cedola. Study of the vascular network in the spinal cord using advanced techniques Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 8, 192 (2014). ISSN: 1932-6254.
  9. Di Maria, I.E. Palamà, M. Baroncini, A. Barbieri, R. Bizzarri, G. Gigli, G. Barbarella, Live Cell Cytoplasm Staining and Selective Labeling of Intracellular Proteins by Non-toxic Cell-permeant Thiophene Fluorophores. Organic & Biomolecular Chemistry, 12: 1603-1610 (2014). ISSN: 1477-0520; doi: 10.1039/C3OB41982G

 

Other selected publications

  1. L.L. del Mercato, P.P. Pompa, G. Maruccio, A. Della Torre, S. Sabella, A.M. Tamburro, R. Cingolani, R. Rinaldi, Charge transport and intrinsic fluorescence in amyloid-like fibrils. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 46, 18019-18024 (2007). ISSN: 0027-8424; doi: 10.1073/pnas.0802398105
  2. L.L. del Mercato, G. Maruccio, P.P. Pompa, B. Bochicchio, A.M. Tamburro, R. Cingolani, R. Rinaldi, Amyloid-like fibrils in elastin-related polypeptides: structural characterization and elastic properties. Biomacromolecules, 9, 796–803 (2008). ISSN: 1525-7797; doi: 10.1021/bm7010104
  3. A. Zacheo, A. Quarta, A. Mangoni, P.P. Pompa, R. Mastria, M.C. Capogrossi, R. Rinaldi, T. Pellegrino. CdSe/CdS Semiconductor Quantum Rods as Robust Fluorescent Probes for Paraffin-Embedded Tissue Imaging. IEEE Transactions on Nanobiosciences, 10, 3, 209-215 (2011). ISSN: 1536-1241; doi: 10.1109/TNB.2011.2166404.
  4. I.E. Palamà, F. Di Maria, I. Viola, E. Fabiano, G. Gigli, C. Bettini, G. Barbarella. Live-cell-permeant thiophene fluorophores and cell-mediated formation of fluorescent fibrils. Journal of the American Chemical Society (JACS), 133, 17777–17785 (2011). ISSN: 0002-7863; doi: 10.1021/la2065522.
  5. L.L. del Mercato, A.Z. Abbasi, M. Ochs, W.J. Parak. Synthesis and characterization of ratiometric ion-sensitive polyelectrolyte capsules. Small, 7, 351-363 (2011). ISSN: 1613-6810; doi: 10.1002/smll.201001144.
  6. A. Quarta, A. Curcio, H. Kakwere, T. Pellegrino. Polymer Coated inorganic nanoparticles: tailoring the nanocrystal surface for designing nanoprobes with biological implication. Nanoscale, 4, 11, 3319-333 (2012). ISSN: 2040-3364; doi: 10.1039/c2nr30271c.
  7. L.L. del Mercato, A.Z. Abbasi, M. Ochs, W.J. Parak. Multiplexed Sensing of Ions with Barcoded Polyelectrolyte Capsules. ACS Nano, 5, 9668–9674 (2011). ISSN: 1936-0851; doi: 10.1021/nn203344w
  8. I.E. Palamà, A.M.L. Coluccia, G. Gigli, M. Riehle. Modulation of alignment and differentiation of skeletal myoblasts by biomimetic materials. Integrative Biology, 4, 1299-1309 (2012). ISSN: 1757-9694; doi: 10.1039/c2ib20133j.
  9. I.E. Palamà, S. D’Amone, A.M.L. Coluccia, M. Biasiucci, G. Gigli. Cell self-patterning on uniform PDMS-surface with controlled mechanical cues. Integrative Biology, 4, 228-236 (2012). ISSN: 1757-9694; doi: 10.1039/c2ib00116k.
  10. I.E. Palamà, S. D’Amone, A.M.L. Coluccia, G. Gigli. Micropatterned polyelectrolyte multilayer films promote alignment and myogenic differentiation of C2C12 cells in standard growth medium.  Biotechnology & Bioengineering, 110, 586-596 (2013). ISSN: 0006-3592; doi: 10.1002/bit.24626.

Patents

Project

  1. NaBiDiT – Nano-Biotecnologie per Diagnostica e sviluppo di Terapie innovative; Regional project APQ Ricerca Scientifica—Reti di Laboratori Pubblici di Ricerca – (2010-2012).
  2. MAGNIFYCO – Magnetic nanocontainers for combined hyperthermia and controlled drug release; Project ID: 228622 – FP7-NMP (2009-2013)
  3. RINOVATIS – Rigenerazione di tessuti nervosi ed osteocartilaginei mediante innovativi approcci di Tissue Engineering; MIUR-PON (2013-2015), Grant PON02_00563_3448479.
  4. VOXEL – Volumetric medical X-ray imaging at extremely low dose; EC H2020 – FET OPEN -2014-2015 – RIA;  (2015-2019)
  5. Multimodal experimental and theoretical approach for the study of the Spinal Cord in healthy and diseased subjects” Progetto Giovani ricercatori del Ministero della Salute (GR-2013-02358177). Bando 2013
  6. BiominAB-3D – Revealing the composition and formation mechanism of carcinogenic asbestos bodies in human lungs; MSCA-IF-2015-EF – Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF-EF), Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (2016-2018)

Latest News

Scholar-in-Training Award dell'AACR a Marta Cavo

Lecce, 15/01/2020
Marta Cavo, giovane assegnista di ricerca ERC all'istituto di Nanotecnologia del CNR di Lecce, si è aggiudicata lo “Scholar-in-Training Award” (USD $625) dell'American Association for Cancer Research (AACR). La selezione premia la sua partecipazione alla conferenza internazionale "The Evolving Landscape of Cancer Modeling”, organizzata dall'American Association for Cancer Research (AACR), che si terrà nei giorni 2-5 Marzo 2020 a San Diego, California, dove presenterà il lavoro  “Quantifying stroma-tumor cell interactions in three-dimensional cell culture systems” . Link al convegno: https://www.aacr.org/Meetings/Pages/MeetingDetail.aspx?EventItemID=198&DetailItemID=975

Link alla descrizione del premio: https://www.aacr.org/Meetings/PAGES/TRAVEL%20GRANTS/AACR-SCHOLAR-IN-TRAINING-AWARDS-OTHER-CONFERENCES-AND-MEETINGS___36A82A.ASPX#.U9p4raPg_j5

I° meeting TecnoMed Puglia

Lecce, 05 dicembre 2019 - Aula Rita Levi Montalcini - CNR NANOTEC Lecce

Si terrà domani, giovedì 05 dicembre, con inizio alle ore 14.00 presso l'aula Rita Levi Montalcini del Cnr Nanotec, il "I° meeting TecnoMed Puglia: Tecnopolo per la medicina di precisione". Il meeting mira a fare il punto sulle attività programmate, sullo stato di avanzamento e sugli highlights.

Puoi scaricare la locandina da qui

Jam session Nanotec... note di scienza su scala nanometrica

Lecce, 27 settembre 2019 - ex monastero degli Olivetani   "CAR-T: l'alba di una nuova era" con: Attilio Guarini (IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari) introduce e modera: Marco Ferrazzoli (Ufficio Stampa CNR Roma) a cura di: Gabriella Zammillo  

Le CAR-T (Chimeric Antigens Receptor Cells-T) sono cellule modificate in laboratorio a partire dai linfociti T. Rappresentano una nuova strategia di cura che sfrutta il sistema immunitario per combattere alcuni tipi di tumore come linfomi aggressivi a grandi cellule e leucemie linfoblastiche acute a cellule B. Il prof Attilio Guarini, ematologo all’Istituto tumori Giovanni Paolo II di Bari, le definisce la “vis sanatrix naturae della antica medicina salernitana”, trattandosi del potenziamento dell’attività citotossica dei linfociti del paziente opportunamente ingegnerizzati per riconoscere e contrastare alcuni tipi di cellule tumorali.

 

Le CAR-T possono quindi essere definite un “farmaco vivente” proprio perché prodotto a partire dalle cellule dello stesso paziente aprendo così ad un nuovo mondo, considerato che i farmaci convenzionali sono prodotti da sostanze chimiche o, in alternativa, sono anticorpi prodotti in laboratorio dai biologi. Un trattamento estremamente complesso e costoso, non sempre applicabile, ma laddove possibile, dai risultati incoraggianti per le aspettative di vita. Lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di CAR-T è parte integrante delle attività di ricerca condotte dal TecnoMed Puglia, il TecnoPolo per la Medicina di Precisione, coordinato da Giuseppe Gigli direttore del Cnr Nanotec di Lecce, e che nel suo nucleo fondatore vede anche l’IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro di malattie neurodegenerative e dell’invecchiamento cerebrale dell’Università di Bari con sede presso l’Ospedale " G. Panico" di Tricase e la Regione Puglia.

 

L'evento apre la nuova stagione della rassegna divulgativa "Jam session Nanotec: note di scienza su scala nanometrica", un progetto Cnr Nanotec di Gabriella Zammillo, realizzato in collaborazione con Liberrima.

A condurre e moderare la serata, Marco Ferrazzoli, capo ufficio stampa dal CNR.   Puoi scaricare la locandina da qui