Docente/i: Mario Stefanelli  

Denominazione del corso: Modelli di sistemi biologici
Codice del corso: 062169
Corso di laurea: Ingegneria Biomedica
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/06
L'insegnamento è caratterizzante per: Ingegneria Biomedica
Crediti formativi: CFU 5
Sito web del corso: n.d.

Obiettivi formativi specifici

Il corso si propone di fornire elementi di base di modellistica matematica di sistemi biologici e fisio-patologici, con particolare riferimento a modelli di reazioni enzimatiche, popolazioni di cellule, traccianti, farmacocinetica e farmacodinamica, e sistemi endocrino-metabolici. Dopo un’introduzione in cui si analizzeranno gli obiettivi e gli strumenti per formulare modelli, lo studente apprenderà come simularli ed identificarli. Le lezioni si alterneranno ad additività di laboratorio dove lo studente potrà mettere in pratica quanto appreso durante le lezioni utilizzando tool di Matlab per simulare ed identificare i modelli presentati a lezione. L’obiettivo è quello di fornire allo studente strumenti concettuali ed operativi per sviluppare l’intero processo di modellizzazione per alcune significative applicazioni biomediche.

Programma del corso

A. Introduzione

• Tipi e classi di modelli di sistemi biologici
• Processo di formulazione di modelli: simulazione, identificazione e validazione di modelli
• Distinzione tra modelli dei dati e modelli di sistemi
• I modelli compartimentali lineari e nonlineari
• Il problema dell’identificabilità “a priori” e “a posteriori”
• Il progetto dell’esperimento

B. Modelli della cinetica dei traccianti

• Cosa sono i traccianti e perché si utilizzano
• Relazione tra tracciante e tracciato
• Stima dei flussi in sistemi multi-compartimentali

C. Modelli di farmacocinetica e farmacidinamica

• I parametri di farmacocinetica più rilevanti
• Modelli lineari e nonlineari di farmacocinetica
• Somministrazione di un’unica dose o più dosi di un farmaco
• Stima dei parametri di farmacocinetica utilizzando osservazioni sperimentali

D. Modelli di sistemo endocrino-metabolici

• Il sistema di regolazione del glucosio nel sangue
• Il sistema di produzione di globuli rossi e globuli bianchi
• L’utilità dei modelli per l’avanzamento delle conoscenze mediche e nella pratica clinica

E. Modelli della cinetica delle reazioni enzimatiche

• Reazione enzimatica di Michaelis-Menten: assunzioni della teoria
• Formulazione del modello matematico della reazione
• Legge di Michaelis-Menten e ipotesi di “quasi-stazionarietà”
• Reazione enzimatica di Michaelis-Menten con due substrati e un enzima

E. Modelli di popolazioni di cellule

• Modello logistico
• Modelli età-tempo
• Modelli maturità-tempo
• Modelli del ciclo cellulare
• Modelli per il trattamento della leucemia acuta mieloblastica

Prerequisiti

Fondamenti di Automatica

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 30
Esercitazioni (ore/anno in aula): 0
Laboratori (ore/anno in aula): 25
Progetti (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Slide del corso utilizzate dal docente durante le lezioni. Articoli pubblicati su riviste scientifiche ed utilizzati dal docente per fornire esempi di modelli considerati particolarmente interessanti.

C. Corbelli e R. Bonadonna. Bioingegneria dei sistemi metabolici. Patron editore.

E. Carson e C. Corbelli. Modelling methodology for physiology and medicine. Academic Press.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame consiste nello presentazione delle attività svolte in laboratorio durante la quale lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito le metodologie e le tecniche per la formulazione di modelli di sistemi biologici. Dovrà, inoltre, dimostrare la sua capacità di presentazione e di discussione dei risultati delle prove di simulazione e di identificazione e verrà valutato sulla base della sua capacità di esporre chiaramente le assunzioni alla base dei modelli formulati e di analizzare criticamente i risultati degli studi di simulazione e identificazione.