Logo UAB
2020/2021

Nanotecnologia per a Teràpia i Remediació

Codi: 43434 Crèdits: 6
Titulació Tipus Curs Semestre
4314939 Nanociència i Nanotecnologia Avançades / Advanced Nanoscience and Nanotechnology OT 0 1
La metodologia docent i l'avaluació proposades a la guia poden experimentar alguna modificació en funció de les restriccions a la presencialitat que imposin les autoritats sanitàries.

Professor/a de contacte

Nom:
Imma Ratera Bastardas
Correu electrònic:
Desconegut

Utilització d'idiomes a l'assignatura

Llengua vehicular majoritària:
anglès (eng)

Equip docent

Fernando Novio Novio Vazquez
Esther Vazquez Gomez

Equip docent extern a la UAB

Ana Maria Lopez Periago
Anna Laromaine Sague
Imma Ratera Bastardas. email: iratera@icmab.es
Leonor Ventosa Rull
Martí Gich Garcia
Víctor Franco Puntes

Prerequisits

Els mateixos requisits d'admissió que els que s'exigeixen per accedir al Màster:

Un títol de grau en Nanociència i Nanotecnologia, Física, Química, Geologia, Bioquímica, Biotecnologia, Enginyeria Electrònica de Telecomunicacions, Enginyeria de Materials, o un altre títol els continguts s'ajustin al perfil d'aquest màster. També es pot accedir al màster si s'és titular d'un títol universitari oficial expedit a Espanya (d'acord amb l'ordenament jurídic anterior al Reial Decret 1393/2007) o en un altre país, sempre que el seu contingut estigui íntimament relacionat amb les matèries que es s'imparteixen en el màster.

 - Bon nivell d'anglès, equivalent al nivell B2 del Marc europeu comú de referència per a les llengües.

 

Objectius

L'objectiu d'aquest curs és donar una visió general de com la nanotecnologia està impactant la medicina, els biomaterials i la remediació del medi ambient. Al començament del curs es detallaran breus conceptes bàsics en nanomedicina i biomaterials. Després de la introducció, el curs es divideix en cinc seccions principals: nanotoxicologia, subministrament de medicaments, teràpies tèrmiques, enginyeria de teixits i remediació del medi ambient.

Competències

  • Analitzar els resultats de recerca per obtenir nous productes o processos valorant-ne la viabilitat industrial i comercial per transferir-los a la societat
  • Analitzar les solucions i els beneficis que aporten els productes de la nanotecnologia, dins de la pròpia especialitat, i comprendre?n l?origen a un nivell fonamental
  • Buscar informació en la literatura científica fent servir els canals apropiats i integrar aquesta informació per plantejar i contextualitzar un tema de recerca.
  • Dissenyar i aplicar nanomateriales i nanopartícules al diagnòstic i teràpies en sistemes biològics. (especialitat Nanobiotecnología)
  • Dominar la terminologia científica i desenvolupar l'habilitat d'argumentar els resultats de la recerca en el context de la producció científica, per comprendre i interactuar eficaçment amb altres professionals.
  • Identificar i distingir les tècniques de síntesi, fabricació i manufactura de nanomaterials i nanodispositius propis de l?especialitat
  • Que els estudiants siguin capaços d'integrar coneixements i enfrontar-se a la complexitat de formular judicis a partir d'una informació que, tot i ser incompleta o limitada, inclogui reflexions sobre les responsabilitats socials i ètiques vinculades a l'aplicació dels seus coneixements i judicis
  • Que els estudiants sàpiguin aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
  • Que els estudiants sàpiguin comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats
  • Que els estudiants tinguin les habilitats d'aprenentatge que els permetin continuar estudiant, en gran manera, amb treball autònom a autodirigit
  • Tenir coneixements que aportin la base o l'oportunitat de ser originals en el desenvolupament o l'aplicació d'idees, sovint en un context de recerca

Resultats d'aprenentatge

  1. Analitzar els principis bàsics de les teràpies contra el càncer.
  2. Analitzar els resultats de recerca per obtenir nous productes o processos valorant-ne la viabilitat industrial i comercial per transferir-los a la societat.
  3. Analitzar les diferències entre diferents sistemes d?alliberament de fàrmacs.
  4. Buscar informació en la literatura científica fent servir els canals apropiats i integrar aquesta informació per plantejar i contextualitzar un tema de recerca.
  5. Definir els conceptes de biocompatibilitat i toxicitat de nanomaterials.
  6. Definir les propietats necessàries per a nanomaterials eficients en remediació d'aigües.
  7. Descriure el concepte de biomineralització i el paper dels diferents components en joc.
  8. Descriure els mètodes d?encapsulació de fàrmacs.
  9. Descriure els principis de l'enginyeria de teixits
  10. Descriure les característiques més importants per dissenyar materials per a la regeneració de teixits
  11. Dominar la terminologia científica i desenvolupar l'habilitat d'argumentar els resultats de la recerca en el context de la producció científica, per comprendre i interactuar eficaçment amb altres professionals.
  12. Que els estudiants siguin capaços d'integrar coneixements i enfrontar-se a la complexitat de formular judicis a partir d'una informació que, tot i ser incompleta o limitada, inclogui reflexions sobre les responsabilitats socials i ètiques vinculades a l'aplicació dels seus coneixements i judicis
  13. Que els estudiants sàpiguin aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
  14. Que els estudiants sàpiguin comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats
  15. Que els estudiants tinguin les habilitats d'aprenentatge que els permetin continuar estudiant, en gran manera, amb treball autònom a autodirigit
  16. Reconèixer el paper de la mida de partícula en la biodisponibilitat.
  17. Tenir coneixements que aportin la base o l'oportunitat de ser originals en el desenvolupament o l'aplicació d'idees, sovint en un context de recerca

Continguts

Mòdul en què s'exposen les interrelacions dels nanomaterials en els sistemes biològics i el seu impacte en la toxicitat, enginyeria de teixits, administració de fàrmacs, teràpies tèrmiques i remediació d'aigües.

Contingut:

Biocompatibilitat: Interaccions dels nanomaterials amb la matèria biològica. Toxicitat dels nanomaterials.

Enginyeria tissular: gels moleculars i polimèrics. Biomineralització. Bastides i creixement cel·lular. Importància de la validació 3D de materials per a la medicina. Aplicacions de materials en la regeneració de teixits.

Principis de l'administració de drogues: Biodisponibilitat. Conceptes sobre encapsulació, distribució i focalització de fàrmacs. Materials per al lliurament: micel·les, liposomes, compostos nanoencapsulats, materials orgànics porosos i inorgànics com a portadors de medicaments. Alliberament de proteïnes i gens. Casos pràctics.

Principis de les teràpies termals: hipertèrmia, fototermia, magnetoteràpia, termoradioterapia per tractar i destruir les cèl·lules canceroses. Anàlisi de nanomaterials apropiats. Mètodes actuals i perspectives de futur.

Descripció de les propietats necessàries dels nanomaterials per a la remediació de l'aigua. Tècniques basades en fotocatàlisi, adsorció, etc.

Metodologia

Classes, seminaris i casos pràctics. Presentacions orals de treballs. Preparació d'articles. Estudi personal. Lectura d'articles.
 
 

Nota: es reservaran 15 minuts d'una classe, dins del calendari establert pel centre/titulació, per a la complementació per part de l'alumnat de les enquestes d'avaluació de l'actuació del professorat i d'avaluació de l'assignatura/mòdul.

Activitats formatives

Títol Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Tipus: Dirigides      
Casos práctics 4 0,16 17
Classes 36 1,44 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 16
Estudi personal 30 1,2 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 16
Presentacions orals de treballs 7 0,28 12, 14, 15, 17
Seminaris 2 0,08 3
lectura d'artícles e informes 20 0,8 2, 4, 11
preparació i presentació d'articles de recerca 10 0,4 2, 4, 11

Avaluació

20% Assistència i participació a classe

40% Presentacions orals breus (10 min.) De treballs de recerca relacionats amb els temes i preguntes del panell d'avaluació

40% Examen d'opció múltiple

És possible tenir la possibilitat d'augmentar la nota de l'examen d'opció múltiple en una prova addicional (només per a aquells estudiants que hagin realitzat totes les avaluacions prèvies al llarg del curs, independentment de les notes)

Activitats d'avaluació

Títol Pes Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Asaistència i Participació 20% 38 1,52 12, 13, 14, 15, 17
Exàmen 40% 1 0,04 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 16
Presentacions orals 40% 2 0,08 2, 4, 11, 14, 17

Bibliografia

  1.  Biocompatibility. Interaction of nanomaterials with biological matter. Toxicity of nanomaterials.
  2. 1.1 A. Nel et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano–bio interface. Nature Materials 8, 543 (2009).

1.2. EU Commission recommendation on the definition of nanomaterial, http://bit.ly/gxqKMb

1.3. OECD document “Current developments/activities on the safety of manufactured nanomaterials”: http://bit.ly/katdxW

1.4.   Chapter R11 - PBT Assessment p. 13, ECHA Guidance.

1.5. GoodNanoGuide shares best practices, how to handle nanomaterials safely, http://www.nanowiki.info/#[[GoodNanoGuide%20shares%20best%20practices%3A%20how%20to%20handle%20nanomaterials%20safely]]

1.6. The appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies (SCENIHR document), http://ec.europa.eu/health/archive/ph_risk/committees/04_scenihr/docs/scenihr_o_003b.pdf

1.7. G.J. Oostingh et al. Problems and challenges in the development and validation of human cell-based assays to determine nanoparticle-induced immunomodulatory effects. Particle and Fibre Toxicology 8, 8 (2011).

1.8. Monopoli et al. Nanobiotechnology: Nanoparticle coronas take shape. Nat. Nanotechnol. 6, 11 (2011)

1.9. “Occupational Disease and Nanoparticles”

http://www.cdc.gov/niosh/blog/nsb082409_nano.html.

1.10. Lison et al. In vitro studies: ups and downs of cellular uptake. Nat. Nanotechnol. 6, 332 (2011)

 

2.            Tissue engineering. Molecular and polymeric gels. Biomineralization. Scaffolds and cell growth. Importance of the 3D validation in materials for medicine. Application of materials in tissue regeneration.

2.1. “Introduction to biomaterials”. Editor: Donglu Shi. Tsinghua University Press. World Scientific 2005

2.2 “Principles of Tissue Engineering”. Edited by: Robert Lanza, Robert Langer and Joseph Vacanti. 2007 Elsevier Inc

2.3. “Biomaterials & scaffolds for tissue engineering” Fergal J. O'Brien  Materials Today , Volume 14, Issue 3, March 2011, Pages 88–95 DOI: 10.1016/S1369-7021(11)70058-X

2.4. “ Nanotechnological strategies for engineering complex tissues” Tal Dvir Brian, P. Timko Daniel, S. Kohane and Robert Langer, Nature Nanotec Doi: 10.1038/nnano.2010.246

2.5. “Nanotechnology for tissue engineering: Need, techniques and applications” Journal of pharmacy research 7 (2013) 200-204.

2.6. Influence of a three-dimensional, microarray environment on human cell culture in drug screening systems, L. Meli, E.T. Jordan, D.S Clark, R. J. Linhardt, J. S. Dordick, Biomaterials 2012, 33 (35), 90

2.7. From 3D cell culture to organs-on-chips, Dongeun Huh1, Geraldine A. Hamilton1 and Donald E. Ingber, Trends in Cell Biology December 2011, Vol. 21, No. 12

2.8. Bhatia, Sangeeta - Ingber, Donald - Microfluidic organs-on-chips  - Nat Biotech32, 760–772 (2014) doi:10.1038/nbt.2989  - -http://dx.doi.org/10.1038/nbt.2989L3

2.9. 3D cell culture: a review of current approaches and techniques.Methods Mol Biol. 2011;695:1-15. doi: 10.1007/978-1-60761-984-0_1.

2.10. Scaffolds for tissue engineering and 3D cell culture. Methods Mol Biol. 2011;695:17-39. doi: 10.1007/978-1-60761-984-0_2.

 

3. Principles of drug delivery: Bioavailability. Concepts of encapsulation, drug delivery and targeting. Materials for the delivery: micelles, liposomes, nano-encapsulated organic and inorganic porous materials as drug carriers. Release of proteins and genes. Practical cases.

3.1. Patrick Couvreur1 and Christine Vauthier, Nanotechnology: Intelligent Design to Treat Complex Disease, Pharmaceutical Research, 2006, 23, 1417-1448

3.2. Rupa R. Sawant and Vladimir P. Torchilin, Liposomes as ‘smart’ pharmaceutical nanocarriers, Soft Matter, 2010, 6, 4026–4044

3.3. Duncan, R.; Nanoparticle therapeutics: an emerging treatment modality for cancer, Nature Rev. Drug. Discov. 2003, 2, 347

3.4. Frank Alexis, Eric M. Pridgen, Robert Langer, and Omid C. Farokhzad;  Nanoparticle Technologies for Cancer Therapy;  Drug Delivery, M. Schäfer-Korting (ed.); Handbook of Experimental Pharmacology 197, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010

3.5. Owen R. Davies, Andrew L. Lewis, Martin J. Whitaker, Hongyun Tai, Kevin M.Shakesheff b, Steven M. Howdle, Applications of supercritical CO2 in the fabrication of polymer systems for drug delivery and tissue engineering, Advanced Drug Delivery Reviews 2008 ,60, 373–387

Gene therapy:

3.6. Mastrobattista E, van der Aa MA, Hennink WE, Crommelin DJ. Artificial viruses: a nanotechnological approach to gene delivery. Nat Rev Drug Discov. 2006 Feb;5(2):115-21.

3.7. Medina-Kauwe LK, Xie J, Hamm-Alvarez S. Intracellular trafficking of nonviral vectors. Gene Ther.2 005 Dec;12(24):1734-51.

3.8. Riehemann K, Schneider SW, Luger TA, Godin B, Ferrari M, Fuchs H.  Nanomedicine--challenge and perspectives. Angew Chem Int Ed Engl. 2009 48(5):872-897.

 

 4. Principles of thermal therapies:

A-Fundamentals of hyperthermia (without nanomaterials)  [4.1 - 4.12]

B- Magnetic hyperthermia & Photothermal therapy  [4.13 - 4.14]

C- Examples of appropriate nanomaterials [4.15 - 4.19]

4.1. A. Jordan, in Hyperthermia in Cancer Treatment: A Primer, Springer US, 2006, p 60-63; DOI: 10.1007/978-0-387-33441-7.

4.2.  J.Van der Zee et al. Int. J. Hypertherm. 24 (2008) 111

4.3. P. Wust et al.  ”Hyperthermia in combined treatment of cancer” Lancet Oncology 3 (2002) 487.

4.4. F. W. Hetzel and J.Mattiello  “Interactions of hyperthermia with other modalities”. In: Paliwal BR, Hetzel FW, and Dewhirst MW, eds. Medical Physics Monograph no. 16. Biological, Physical and clinical aspects of hyperthermia. Am Inst Phys, 1987: 30-56.

4.5. M. R. Manning  et al. “Clinical hyperthermia: results of a phase I trial employing hyperthermia alone or in combination with external beam or interstitial radiotherapy” Cancer 49 (1982) 205-216.

4.6. P. Gabriele  et al. “Hyperthermia alone in the treatment of recurrences of malignant tumors”  Cancer  66 (1990) 2191-2195.

4.7. J. van der Zee et al.  “Comparison of radiotherapy alone with radiotherapy plus hyperthermia in locally advanced pelvic tumours: a prospective, randomised, multicentre trial”. The Lancet 355 (2000) 1119-25.

4.8. R. D. Issels et al.  “Neo-adjuvant chemotherapy alone or with regional hyperthermia for localised high-risk soft-tissue sarcoma: a randomised phase 3 multicentre study” . The Lancet Oncology 11(2010) 561-70.

4.9. R. S. Benjamin. “Regional hyperthermia: new standard for soft-tissue sarcomas?”  The Lancet Oncology 11(2010) 505.

4.10. S. A. Sapareto et al., “Effects of Hyperthermia on Survival and Progression of Chinese Ovary Cells” Cancer Res 38(1978) 393.

4.11.  R. D. Issels, “Hyperthermia adds to chemotherapy” Eur. J. Cancer 44 (2008) 2546.

4.12. A. Bettaieb et al. , Hyperthermia: Cancer Treatment and Beyond in “Cancer Treatment - Conventional and Innovative Approaches”, 2013.  http://www.intechopen.com/books/cancer-treatment-conventional-and-innovative-approaches/hyperthermia-cancer-treatment-and-beyond

4.13. M. Colombo et al. “Biological applications of magnetic nanoparticles”. Chemical Society Reviews  41 (2012) 4306.

4.14. I. K. Puri and R. Ganguly “Particle Transport in Therapèutic Magnetic Fields” Annu. Rev. Fluid Mech. 46 (2014) 407.

4.15. S. Link , M. A.  El-Sayed  J Phys Chem B  109 (2005) 10531; X. Huang  et al. J Am Chem Soc 128 (2006) 2115. 

4.16.  K. Maier-Hauff et al. “Efficacy and safety of intratumoral thermotherapy using magnetic iron-oxide nanoparticles combined with external beam radiotherapy on patients with recurrent glioblastoma multiforme” Journal of Neuro-Oncology 103 (2011) 317.

4.17. L. Alexander  et al. , “Ultra-Low Doses of Chirality Sorted (6,5) Carbon Nanotubes for Simultaneous Tumor Imaging and Photothermal Therapy” ACS Nano  7 (2013), 3644-3652.

4.18.  J. Kolosnjaj-Tabi et al.  “Heat-Generating Iron Oxide Nanocubes: Subtle “Destructurators” of the Tumoral Microenvironment”ACS Nano  8 (2014) 4268-4283.

4.19. M. Hembury et al. , “Gold–silica quantum rattles for multimodal imaging and therapy” PNAS 112 (2015) 1959.

 

5.  Description of the necessary properties of nanomaterials for environmental remediation. Techniques based on photocatalysis, adsorption etc.

General:

5.1.  Tania Dey,Nanotechnology for Water Purification. Brown Walker Press. 2012

5.2.  T. E. Cloete, M. de Kwaadsteniet, M. Botes, J. M. López-Romero, Nanotechnology in Water Treatment Applications, Caister Academic Press, 2010, ISBN: 978-1-904455-66-0.

5.3.  S. Bhattacharya, I. Saha, A. Mukhopadhyay, D. Chattopadhyay, U. Chand Ghosh and D.Chatterjee,  Role of nanotechnology in water treatment and purification: Potential applications and implications,  International Journal of Chemical Science and Technology 2013; 3(3): 59-64

5.4.  Prachi, P. Gautam, D. Madathil, A. N.B. Nair,Nanotechnology in Waste Water Treatment: A Review, Int. J. Chem. Tech. Res. 2013,5(5), 2303-2309.

5.5.  B. Karn, T. Kuiken, M. Otto, Nanotechnology and in Situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks, Environmental Health Perspectives 2009, 117(12), 1823-1831.

5.6. G. Ghasemzadeh, M. Momenpour, F. Omidi, M. R. Hosseini, M. Ahani, A. Barzegari, Applications of nanomaterials in water treatment and environmental remediation, Frontiers of Environmental Science & Engineering 2014, 8(4), 471-482.

5.7. R. D. Handy,  F. von der Kammer, J. R. Lead, M. Hassellov, R. Owen, M. Crane, The ecotoxicology and chemistry of manufactured nanoparticles, Ecotoxicology 2008, 17, 287–314.

Specific:

5.8. Manoj A. Lazar , Shaji Varghese, Santhosh S. Nair, Photocatalytic Water Treatment by Titanium Dioxide: Recent Updates, Catalysts 2012, 2, 572-601; doi:10.3390/catal2040572.

5.9. Xitong Liu, Mengshu Wang, Shujuan Zhang, Bingcai Pan, Application potential of carbon nanotubes in water treatment: A review, Journal of Environmental Sciences 2013, 25(7) 1263–1280

5.10. Schäfer, A.I., Fane, A.G. and Waite, T.D. (ed.): “Nanofiltration – Principles and Applications”, Elsevier Ltd., Oxford 2005.

5.11. Van der Bruggen, B, Vandecasteele,C., Removal of pollutants from surface water and groundwater by nanofiltration: overview of possible applications in drinking water industry. Env. Poll. 122 (2003) 435-445.

 

Programari