EXPERIMENTAL MODELS IN BIOLOGICAL AND BIOMEDICAL RESEARCH

Conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente conosce e comprende:

•    la storia della biologia sperimentale e l'evoluzione del ruolo dei modelli nella ricerca biologica e biomedica;

•    il concetto di complessità dei sistemi biologici, la definizione di modello sperimentale e i contesti scientifici in cui esso viene impiegato;

•    le tipologie di modelli sperimentali — in silico, in vitro e in vivo — con le rispettive caratteristiche, campi di applicazione, vantaggi e limitazioni;

•    i parametri di valutazione quantitativa e qualitativa e le procedure di validazione di un modello sperimentale, insieme ai concetti di riproducibilità scientifica e di complementarità tra modelli;

•    l'importanza dei rapporti filogenetici tra organismi modello e le caratteristiche dei principali modelli procarioti ed eucarioti, animali e vegetali;

•    il quadro etico e normativo che regola la selezione e l'impiego dei modelli in vivo;

•    il potenziale biotecnologico e traslazionale delle conoscenze acquisite, con riferimento ai percorsi di valorizzazione (spinoff, startup).

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente è in grado di:

•    selezionare il modello sperimentale pertinente a una specifica domanda biologica o a un dato obiettivo scientifico, motivandone la scelta;

•    valutare ex post, su lavori tratti dalla letteratura scientifica, l'appropriatezza e la validità del modello impiegato e la congruità del disegno sperimentale;

•    proporre approcci modellistici alternativi o complementari per lo stesso problema biologico, specificandone gli aspetti sperimentali e i vantaggi attesi;

•    impostare la validazione di un nuovo modello sperimentale, individuando i parametri di verifica appropriati;

•    riconoscere e applicare i vincoli etici e normativi pertinenti, incluso il principio delle 3R, nella progettazione di uno studio che preveda modelli in vivo;

•    organizzare e presentare i risultati di una valutazione modellistica in forma di data report o di bozza di progetto di ricerca.

Autonomia di giudizio

Lo studente sa formulare un giudizio critico e argomentato sulla scelta del modello adottato in un lavoro pubblicato, gestire informazioni limitate o contrastanti e sostenere una posizione a fronte di tesi opposte. Tale capacità è sviluppata attraverso il journal club, le attività di flipped classroom, gli studi di caso discussi in gruppo con dibattito pro/contro e l'elaborazione individuale di un progetto di ricerca.

Abilità comunicative

Lo studente sa comunicare in lingua inglese, in forma orale e scritta, contenuti scientifici complessi in modo chiaro e privo di ambiguità, a interlocutori specialisti e non specialisti. Tale capacità è sviluppata attraverso la presentazione di lavori scientifici in aula, il journal club, la redazione di data report e di bozze progettuali e gli esercizi di dissemination e grant writing.

Capacità di apprendimento

Lo studente sa reperire, selezionare e aggiornare autonomamente le fonti scientifiche necessarie a proseguire in modo auto-diretto lo studio dei modelli sperimentali e a impostare la propria attività di ricerca. Tale capacità è sviluppata attraverso la ricerca bibliografica autonoma finalizzata alle presentazioni, la partecipazione guidata a seminari, webinar, workshop e conferenze e gli approfondimenti individuali su modelli specifici.

L'insegnamento (6 CFU) prevede 47 ore di attività didattica, articolate in 35 ore di Didattica Erogativa (lezioni frontali, 5 CFU) e 12 ore di Didattica Interattiva (esercitazioni in aula e in laboratorio a didattica guidata, 1 CFU). Tutte le attività sono svolte interamente in lingua inglese.

Didattica Erogativa (35 ore)

Lezioni frontali svolte con l'ausilio di diapositive, filmati, webinar, documenti e lavori scientifici forniti in formato PDF. Sono previsti collegamenti in remoto con esperti di specifici modelli sperimentali.

Didattica Interattiva (12 ore)

•    journal club e attività di flipped classroom, con presentazione e discussione critica di lavori scientifici da parte degli studenti;

•    lavori di gruppo e studi di caso presentati e discussi in un confronto attivo, in cui gli studenti sostengono alternativamente tesi a favore o contro;

•    esercizi di comunicazione scientifica: dissemination, grant writing, redazione di un data report;

•    partecipazione guidata, in presenza o online, a seminari, webinar, meeting, workshop e conferenze, anche in collaborazione con i principali enti di ricerca nazionali e internazionali.

Coerenza tra metodi e risultati di apprendimento

La Didattica Erogativa è finalizzata prevalentemente all'acquisizione delle conoscenze relative alle tipologie di modello, ai loro campi di applicazione e ai parametri di validazione (primo descrittore). La Didattica Interattiva è finalizzata allo sviluppo delle competenze applicative e trasversali: la selezione motivata del modello e la valutazione ex post dei casi di letteratura sviluppano la capacità di applicare conoscenza e comprensione; il dibattito pro/contro e la discussione dei casi sviluppano l'autonomia di giudizio; le presentazioni, il journal club e gli esercizi di grant writing e data report sviluppano le abilità comunicative; la ricerca bibliografica autonoma e la partecipazione a seminari e webinar sviluppano la capacità di apprendimento.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Sono indispensabili conoscenze di base di biologia cellulare e molecolare, di genetica e di evoluzione.

Sono importanti nozioni di fisiologia, istologia, anatomia, embriologia e biologia dello sviluppo, con particolare riferimento al sistema nervoso centrale, nonché di epigenetica.

È utile una familiarità di base con la lettura critica di articoli scientifici primari e con gli elementi di statistica applicata alla sperimentazione biologica.

È indispensabile una buona conoscenza della lingua inglese scritta e parlata, poiché l'insegnamento è erogato interamente in inglese e tutto il materiale didattico è in lingua inglese.

Le conoscenze sopra elencate costituiscono propedeuticità culturali e sono indicate senza riferimento a insegnamenti specifici del Corso di Studio, così da consentire anche agli studenti provenienti da altre sedi, italiane o straniere, di valutare se il proprio percorso precedente le abbia fornite. Il Regolamento didattico del Corso di Studio non prevede propedeuticità formali per questo insegnamento.

Per gli studenti che non possedessero alcune delle conoscenze indicate, il docente segnalerà testi o dispense utili per acquisirle.

La frequenza delle lezioni non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata.

Una parte rilevante dei risultati di apprendimento attesi si consegue infatti attraverso le attività di Didattica Interattiva — journal club, lavori di gruppo, dibattiti sui casi di studio, seminari e collegamenti con esperti di specifici modelli sperimentali — che si realizzano nel confronto in aula e non sono integralmente sostituibili con lo studio individuale. La partecipazione attiva consente inoltre di ricevere un riscontro continuo sulla capacità di analisi critica di un lavoro scientifico, che costituisce l'oggetto principale della prova d'esame.

Gli studenti impossibilitati a frequentare sono invitati a contattare il docente per concordare un percorso di studio individuale; tutto il materiale didattico è comunque reso disponibile sulle piattaforme di e-learning dell'Ateneo.

1.     Modelli e metodo scientifico: La metodologia della ricerca scientifica. Storia della biologia sperimentale e dei suoi modelli. Percorso storico-ontologico verso il concetto di complessità dei sistemi biologici.

2.     Il modello sperimentale: Concetti e contesti di modello sperimentale nella ricerca scientifica. Rappresentatività, scala, riduzionismo e limiti dell'inferenza.

3.     Validazione di un modello sperimentale: Parametri di valutazione quantitativa e qualitativa. Validità di costrutto, di contenuto e predittiva. Riproducibilità scientifica e complementarità tra modelli.

4.     Filogenesi e scelta del modello: Importanza dei rapporti filogenetici tra organismi modello. Principali modelli procarioti ed eucarioti. Principali modelli vegetali. Criteri di scelta in funzione della domanda biologica.

5.     Modelli in silico: Modellizzazione computazionale, simulazione e analisi di dati. Vantaggi, limiti e integrazione con i modelli sperimentali.

6.     Modelli in vitro: Colture cellulari normali e tumorali. Cellule staminali normali e tumorali. Cellule iPS e riprogrammazione cellulare.

7.     Modelli in vivo: Gli animali da esperimento. Modelli della biologia dello sviluppo. Modelli genetici e modelli indotti.

8.     L'uomo come modello sperimentale: Gli studi clinici controllati: disegno, fasi, limiti. Il rapporto tra modello preclinico e ricerca traslazionale.

9.     Evoluzione e futuro della modellistica sperimentale: Embrioidi, organoidi, organ-on-chip, uso delle stampanti 3D.

10.   Etica e normativa: L'etica nella modellistica sperimentale. Il principio delle 3R. Vincoli normativi nella selezione e nell'uso dei modelli in vivo.

11.   Modellistica sperimentale applicata: Espressione e funzione genica. Epigenetica. Determinazione del sesso. Ecotossicologia e ruolo dei parametri ambientali. Neurobiologia e neuroscienze: dal normale alle patologie neurodegenerative e agli approcci terapeutici sperimentali.

12.   Dalla conoscenza alla valorizzazione: Comunicazione della scienza: dissemination, grant writing, data report, journal club. Potenziale biotecnologico della conoscenza scientifica: spinoff e startup. Enti di ricerca nazionali e internazionali.

Testi di riferimento

1.     Striedter G.F., Model Systems in Biology: History, Philosophy, and Practical Concerns, The MIT Press, 2022 (ISBN 9780262046947). Disponibile in open access sul sito dell'editore.

2.     [da definire — secondo testo di riferimento, facilmente reperibile]

Letture consigliate per gli approfondimenti

Review e articoli scientifici indicati dal docente per i singoli argomenti del programma, con particolare riferimento ai casi di studio discussi in aula.

Altro materiale didattico

Copia della documentazione utilizzata durante le lezioni, dispense, articoli scientifici e ulteriore materiale didattico sono forniti dal docente e messi a disposizione sulle piattaforme di e-learning dell'Ateneo (Studium, http://studium.unict.it/).

L'apprendimento è verificato mediante un colloquio orale in lingua inglese, della durata media di 40 minuti.

Il colloquio si articola in due parti:

1.     una presentazione iniziale di circa 15 minuti, con l'ausilio di diapositive, in cui lo studente illustra uno o più lavori scientifici concordati con il docente, analizzandone con spirito critico gli aspetti relativi alla modellistica, la congruità del modello rispetto alla domanda biologica, i parametri di validazione impiegati, e proponendo ove possibile approcci modellistici alternativi o complementari, specificandone gli aspetti sperimentali e i vantaggi attesi. In alternativa, lo studente può presentare e discutere un progetto di ricerca da lui elaborato, scelto tra i titoli suggeriti dal docente;

2.     una successiva discussione, di norma con tre domande, estesa agli argomenti del programma collegati al caso presentato.

Durante il corso si svolgono attività di valutazione formativa (journal club, presentazioni di gruppo, dibattiti su casi di studio, brevi report scritti) che non producono un punteggio autonomo e non concorrono direttamente al voto finale: hanno la funzione di consentire allo studente e al docente di monitorare i progressi dell'apprendimento e di preparare la prova finale.

Costituiscono elementi di valutazione del colloquio: la pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate; la correttezza e la profondità dei contenuti; la capacità di collegamento con altri temi del programma; la capacità di fornire esempi; l'autonomia e il rigore del giudizio critico sulla scelta e sulla validazione del modello; la proprietà del linguaggio tecnico in lingua inglese e la capacità espressiva complessiva.

Per l'attribuzione del voto finale, espresso in trentesimi, si terrà conto dei seguenti parametri:

•    Esame non superato: lo studente non possiede la conoscenza minima richiesta dei principali modelli sperimentali e dei criteri della loro validazione; la capacità di utilizzare il linguaggio tecnico in inglese è scarsa o nulla e non è in grado di applicare autonomamente le conoscenze acquisite alla valutazione di un caso.

•    18–21: lo studente ha la conoscenza minima delle tipologie di modello sperimentale e dei relativi parametri di validazione; analizza il caso presentato in modo essenziale e con limitata capacità critica; espone in modo sufficientemente chiaro, sebbene la proprietà di linguaggio sia poco sviluppata.

•    22–25: lo studente ha una discreta conoscenza dei modelli sperimentali e delle procedure di validazione, anche se limitata agli argomenti principali; integra e analizza criticamente il caso in modo non sempre lineare; espone in modo abbastanza chiaro, con una discreta proprietà di linguaggio.

•    26–28: lo studente ha una buona conoscenza dei modelli sperimentali e dei criteri di scelta e validazione; analizza criticamente e in modo lineare il caso presentato, propone approcci alternativi in modo abbastanza autonomo ed espone gli argomenti con un linguaggio appropriato.

•    29–30 e lode: lo studente ha una conoscenza approfondita dei modelli sperimentali, dei loro limiti e delle procedure di validazione; integra e analizza criticamente il caso con prontezza e rigore, imposta autonomamente la validazione di un nuovo modello e propone soluzioni originali; ha ottime capacità comunicative e piena proprietà di linguaggio.

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).

1.     Principali modelli sperimentali impiegati in una determinata disciplina (per esempio genetica, epigenetica, ecotossicologia) o per colmare una specifica lacuna di conoscenza: descriverne caratteristiche, campi di applicazione, vantaggi e limiti.

2.     Vantaggi e svantaggi di un modello sperimentale a scelta e criteri di scelta del modello in funzione della domanda biologica.

3.     Come si crea e come si valida un nuovo modello sperimentale: parametri di valutazione quantitativa e qualitativa, procedure e criticità.

4.     Limiti etici e quadro normativo nell'impiego dei modelli in vivo; il principio delle 3R e le sue implicazioni sul disegno sperimentale.

5.     Ruolo dei parametri ambientali nella ricerca biologica e nella riproducibilità dei risultati sperimentali.

6.     Iannielli et al., Pharmacological Inhibition of Necroptosis Protects from Dopaminergic Neuronal Cell Death in Parkinson's Disease Models. Cell Rep. 2018 Feb 20;22(8):2066-2079. doi: 10.1016/j.celrep.2018.01.089 — Presentare il lavoro e discutere l'appropriatezza del modello per la sperimentazione proposta e le implicazioni traslazionali; proporre approcci modellistici o sperimentali alternativi o complementari a quelli utilizzati.

7.     Esquerda-Canals et al., Mouse Models of Alzheimer's Disease. J. Alzheimer Dis. 2017;57(4):1171-1183. doi: 10.3233/JAD-170045 — Partendo da questa review e integrandola con ulteriori lavori scientifici specifici, presentare la modellistica animale sviluppata per la malattia di Alzheimer di origine genetica, identificando per i differenti modelli i limiti, i vantaggi e i campi sperimentali di applicazione.

8.     Hendrix et al., Reprogramming metastatic tumour cells with embryonic microenvironments. Nat Rev Cancer 2007 Apr;7(4):246-55. doi: 10.1038/nrc2108 — Partendo da questa review e integrandola con ulteriori lavori scientifici specifici, confrontare i modelli di pollo e di zebrafish per lo studio del microambiente tumorale e, ove possibile, proporre approcci modellistici o sperimentali alternativi o complementari.