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Foto gruppo

Advanced Pharmacology (AvP)

Farmacologia avanzata

Componenti

Fotografia

Settore ERC

LS7_7 - Pharmacology and toxicology

Attività


L’attività di ricerca del gruppo AvP ha come obiettivi:

  1. lo sviluppo di innovativi approcci antitumorali mediati dal rilascio di energia che sfruttano il sinergismo dell’interazione tra due componenti di natura chimica (ad es. fotosensibilizzanti o sonosensibilizzanti) e fisica (ad es. luce o ultrasuoni), presenti nella stessa regione dello spazio, con l'obiettivo finale di ottenere in modo selettivo la morte delle cellule tumorali
  2. lo studio dell’efficacia di innovativi nanosistemi per rilasciare farmaci nel sito cellulare desiderato alla giusta quantità e al momento giusto, e anche come nuovi agenti terapeutici essi stessi
  3. lo sviluppo di modelli di colture cellulari tridimensionali (3D) per colmare più rapidamente la distanza tra scienza di base e clinica nel processo di sviluppo di nuovi farmaci

  1. Il gruppo AvP sta lavorando a trattamenti antitumorali mediati dal rilascio di energia come la terapia fotodinamica (PDT) e la terapia sonodinamica (SDT) che si basano sulla selettiva internalizzazione e/o ritenzione di un agente sensibilizzante nelle cellule tumorali e la sua successiva attivazione attraverso l’energia rilasciata rispettivamente da luce o ultrasuoni. In particolare, la SDT è un approccio non invasivo "controllato a distanza" in cui, una molecola o un sistema non citotossico di per sé (attuatore chimico), in altre parole, il sonosensibilizzante, viene attivato dagli US non termici (attivatore fisico) producendo danno ossidativo e conseguente morte delle cellule tumorali. Il gruppo AvP mira a evidenziare i meccanismi d'azione alla base della SDT per sfruttarne al meglio l'efficacia e la selettività e far avanzare questo approccio innovativo in ambito clinico. Poiché tale attività di ricerca è interdisciplinare nella sua natura, si basa su una stretta collaborazione tra competenze in chimica, fisica, biologia e medicina con l'obiettivo finale di esplorare anche altre strategie come la nanotecnologia per migliorare l'efficacia antitumorale di questi trattamenti antitumorali mediati dal rilascio di energia.

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Figure 1. Principali effetti antitumorali della SDT (MDR, cellule tumorali multiresistenti ai farmaci)

 

  1. Lo sviluppo di adeguati sistemi di rilascio dei farmaci rappresenta un approccio efficace per migliorare l'efficacia terapeutica della SDT antitumorale. Nell'ultimo decennio, il gruppo AvP ha studiato vari sistemi di rilascio (DDS) basati su nanoparticelle per migliorare le proprietà farmacocinetiche ed il targeting di agenti sonosensibilizzanti. Sebbene l'uso dei DDS abbia potenzialmente superato alcune sfide dell'SDT, come la scarsa biodisponibilità di alcuni sonosensibilizzanti che consentono di fargli raggiungere il sito del tumore in dosi più elevate, la nanomedicina ha anche aperto a nuove opportunità. Nel 2012, il nostro gruppo ha iniziato a suggerire il ruolo centrale della nanotecnologia nella SDT discutendo come l'interazione tra questi due approcci, denominata "nanosonotecnologia", possa aprire uno scenario rivoluzionario nella terapia del cancro sviluppando sonosensibilizzanti basati su nanoparticelle. Infatti, i cosiddetti nanosonosensibilizzanti, principalmente nanoparticelle inorganiche, costituite da nanomateriali in grado di esercitare la loro attività antitumorale solo sotto esposizione agli US, possono facilitare ed aumentare il meccansimo sonodinamico di morte delle cellule tumorali.

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Figure 2. Nanoparticelle per aumentare l'attività sonosensibilizzante e la selettività verso le cellule tumorali (10.1515/ntrev-2011-0009).

 

  1. Convenzionalmente, i modelli cellulari bidimensionali (2D) non rappresentano accuratamente l'organizzazione cellulare presente in vivo a causa della mancanza di interazioni tra cellula-cellula e cellula-matrice. Per questo motivo, negli ultimi anni, le colture cellulari tridimensionali (3D) sono state introdotte come piattaforma innovativa, consentendo alle cellule di crescere e interagire tra loro in tutte e tre le dimensioni. All'interno dei laboratori AvP sono disponibili diverse tecniche per la creazione in vitro di strutture 3D, sia scaffold-free che scaffold-based, a partire da linee cellulari tumorali (come cancro al seno, cancro alla prostata, cancro al colon, ecc.). Inoltre, è disponibile un sistema di microfluidica per consentire la creazione di strutture 3D attraverso l'uso di un bioreattore a flusso dinamico. Infine, una parte della linea di ricerca sui modelli 3D si occupa dello sviluppo e del mantenimento in vitro di strutture organoidi 3D multicomplesse derivate da biopsie tumorali, con l'obiettivo di valutarne la funzionalità proliferativa e metabolica per una futura terapia personalizzata.

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Figure 3. A) Immagine rappresentativa di uno sferoide ottenuto da una linea cellulare di carcinoma del pancreas (BxPC-3). B) Immagine rappresentativa di uno sferoide ottenuto da una linea cellulare di tumore del colonretto (HT-29) mediante X-CLARITY™ Tissue Clearing System . C) Fasi di sviluppo di molecole con potenziale attività farmacologica attraverso l'uso dei modelli tridimensionali (10.1016/j.lfs.2020.117784).

 

Progetti attivi

  • 2019 - 2024 Co-Investigators of the research project “Boosting the efficacy of liposomal doxorubicin against ovarian cancer by local ultrasound stimulation under MRI guidance” finanziato nell’ambito del Bando “Investigator Grant 2018” dall’Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro (IG-22041)

AvP research efforts aim at:

  1. investigating energy-driven anticancer treatments to exploit synergistic effects arising from two components of chemical (e.g., photosensitizers or sonosensitizers) and physical nature (e.g., light or ultrasound), in the same region of space, with the final goal of selective cancer cell killing
  2. exploiting innovative nanosystems to deliver drugs to the right cellular site with the right amount at the right time but also to provide new therapeutic agents in themselves
  3. developing three-dimensional (3D) cell culture models to bridge the gap between basic science and the clinic in the development of new drugs

  1. AvP group is working on energy-driven anticancer treatments such as photodynamic therapy (PDT) and sonodynamic therapy (SDT) that are based on the preferential uptake and/or retention of a sensitizer agent into cancer cells and its subsequent selective activation through the energy released from light or ultrasound, respectively. In particular, SDT is a non-invasive “remotely controlled” approach in which, a nontoxic molecule or system (chemical actuator), in other words, the sonosensitizer, is activated by non-thermal US (physical activator) yielding oxidative damage and consequent cancer cell death. AvP group aims to highlight the SDT underpinning mechanisms of action for better exploiting its efficacy and selectivity to advance this innovative approach into clinical setting. As the proposed research is truly interdisciplinary in its nature, it relies on face-to-face work and on sharing expertise in chemistry, physics, biology and medicine with the ultimate goal to also explore other strategies such as nanotechnology for enhancing the anticancer efficacy of these energy-driven anticancer treatments.

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Figure 1. Main anticancer effects of SDT (MDR, multidrug-resistant cancer cells).

 

  1. The development of proper drug delivery systems represents an effective approach to improve the therapeutic efficacy and feasibility of anticancer SDT. Over the last decade, AvP group has investigated various nanoparticle-based DDS to enhance the pharmacokinetic properties and targeting of sonosensitizing agents. Although the use of DDSs has potentially overcome some challenges of SDT, such as the poor bioavailability of some sonosensitizers allowing higher doses of sonosensitizers to reach the tumor site, nanomedicine has also opened the door to new opportunities. In 2012, our group started to suggest the pivotal role of nanotechnology in SDT by discussing how the interplay between these two approaches, named ‘‘nanosonotechnology”, might open a groundbreaking scenario in cancer therapy by developing nanoparticle-based sonosensitisers. Indeed, the so-called nanosonosensitizers, mainly inorganic NPs consisting of nanomaterials able to exert their anticancer activity only under US exposure, may facilitate or increase sonosensitization.

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Figure 2. Nanoparticles to enhance sonosensitizing activity and selective cancer targeting (10.1515/ntrev-2011-0009).

 

  1. Conventionally, two-dimensional (2D) models do not accurately represent in vivo cellular organization due to the lack of cell-cell and cell-matrix interactions. For this reason, in recent years, three-dimensional (3D) cell cultures have been introduced as an innovative platform, allowing cells to grow and interact each other in all three dimensions. Within AvP laboratories, various techniques are available for the creation of in vitro 3D structures, both scaffold-free and scaffold-based, starting from tumor cell lines (like breast cancer, prostate cancer, colon cancer, etc..). Furthermore, a microfluidics system is available to allow the creation of 3D structures through the use of a dynamic flow bioreactor. Finally, a part of the 3D models research line deals with the development and in vitro maintenance of multicomplex 3D organoid structures derived from tumor biopsies, with the aim to evaluate their proliferative and metabolic functionality for a future personalized therapy.
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Figure 3. A) Representative light microscopy image of a spheroid of a pancreatic cancer cell line (BxPC-3). B) X-CLARITY™ Tissue Clearing System technique of a human colon cancer cell line spheroid (HT-29). C) Steps in identifying potential molecules with pharmacological activity by analysis in 3D models (10.1016/j.lfs.2020.117784).

Active projects:

  • 2019 - 2024 Co-Investigators of the research project “Boosting the efficacy of liposomal doxorubicin against ovarian cancer by local ultrasound stimulation under MRI guidance” finanziato nell’ambito del Bando “Investigator Grant 2018” dall’Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro (IG-22041)

Concluded Projects:

Prodotti della ricerca

Pubblicazioni selezionate/selected publications:

FogliettaF, Macrì  M, Panzanelli  P, Francovich  A, Durando G, Garello  F, Terreno  E, Serpe L, Canaparo R. Ultrasound boosts doxorubicin efficacy against sensitive and resistant ovarian cancer cells. European Journal of Pharmecutics and Biopharmaceutics 2023;183:119 Foglietta F, Pinnelli V, Giuntini F, Barbero N, Panzanelli P, Durando G, Terreno E, Serpe L, Canaprao R. Sonodynamic treatment induces selective killing of cancer cells in an in vitro co-culture model. Cancers 2021;13:3852 Giuntini F, Foglietta F, Marucco AM, Troia A, Dezhkunov NV, Pozzoli A, Durando G, Fenoglio I, Serpe L, Canaparo R. Insight into ultrasound-mediated reactive oxygen species generation by various metal-porphyrin complexes. Free Radical Biology & Medicine 2018;121:190-201

Canaparo R, Foglietta F, Barbero N, Serpe L. The promising interplay between sonodynamic therapy and nanomedicine. Advanced Drug Delivery Reviews 2022;189:114495 Brazzale C, Canaparo R, Racca L, Foglietta F, Durando G, Fantozzi R, Caliceti P, Salmaso S, Serpe L. Enhanced selective sonosensitizing efficacy of ultrasound-based anticancer treatment by targeted gold nanoparticles. Nanomedicine 2016;11:3053-70 Varchi G, Foglietta F, Canaparo R, Ballestri M, Arena F, Sotgiu G, Guerrini A, Nanni C, Cicoria G, Cravotto G, Fanti S, Serpe L. Engineered porphyrin loaded core-shell nanoparticles for selective sonodynamic anticancer treatment. Nanomedicine 2015;10:3483-94

Foglietta F, Serpe L, Canaparo R. The effective combination between 3D cancer models and stimuli-responsive nanoscale drug delivery systems. Cells 2021;10:3295 Foglietta F, Canaparo R, Muccioli G, Terreno E, Serpe L. Methodological aspects and pharmacological applications of three-dimensional cancer cell cultures and organoids. Life Sciences 2020;254:117784

Ultimo aggiornamento: 11/05/2023 10:58
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