Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

The impact of polymorphisms in P-gp, DNA repair and folic acid metabolism genes in newly diagnosed multiple myeloma patients treated with thalidomide plus dexamethasone, with or without bortezomib

The principle aim of this study was to investigate biological predictors of response and resistance to multiple myeloma treatment. Two hypothesis had been proposed as responsible of responsiveness: SNPs in DNA repair and Folate pathway, and P-gp dependent efflux. As a first objective, panel of SNPs in DNA repair and Folate pathway genes, were analyzed. It was a retrospective study in a group of 454, previously untreated, MM patients enrolled in a randomized phase III open-label study. Results show that some SNPs in Folate pathway are correlated with response to MM treatment. MTR genotype was associated with favorable response in the overall population of MM patients. However, this relation, disappear after adjustment for treatment response. When poor responder includes very good partial response, partial response and stable/progressive disease MTFHR rs1801131 genotype was associated with poor response to therapy. This relation - unlike in MTR – was still significant after adjustment for treatment response. Identification of this genetic variant in MM patients could be used as an independent prognostic factor for therapeutic outcome in the clinical practice. In the second objective, basic disposition characteristics of bortezomib was investigated. We demonstrated that bortezomib is a P-gp substrate in a bi-directional transport study. We obtain apparent permeability rate values that together with solubility values can have a crucial implication in better understanding of bortezomib pharmacokinetics with respect to the importance of membrane transporters. Subsequently, in view of the importance of P-gp for bortezomib responsiveness a panel of SNPs in ABCB1 gene - coding for P-gp - were analyzed. In particular we analyzed five SNPs, none of them however correlated with treatment responsiveness. However, we found a significant association between ABCB1 variants and cytogenetic abnormalities. In particular, deletion of chromosome 17 and t(4;14) translocation were present in patients harboring rs60023214 and rs2038502 variants respectively.

Pre-clinical and clinical development of leukemia stem cell inhibitors in acute leukemias

In Leukemias, recent developments have demonstrated that the Hedgehog pathway plays a key-role in the peculiar ability of self renewal of leukemia stem cells. The aim of this research activity was to investigate, through a first in man, Phase I, open label, clinical trial, the role and the impact, mainly in terms of safety profile, adverse events and pharmacokinetics, of a Sonic Hedgehog inhibitor compound on a population of heavely pretreated patients affected by AML, CML, MF, or MDS, resistant or refractory to standard chemotherapy. Thirty-five patients have been enrolled. The drug was administered orally, in 28 days cycles, without rest periods. The compound showed a good safety profile. The half life was of 17-35 hours, justifying the daily administration. Significant signs of activity, in terms of reduction of bone marrow blast cell amount were seen in most of the patients enrolled. Interestingly, correlative biological studies demonstrated that, comparing the gene expression profyiling signature of separated CD34+ cells before and after one cycle of treatment, the most variably expressed genes were involved in the Hh pathway. Moreover, we observed that many genes involved in MDR (multidrug resistance)were significantly down regulated after treatment. These data might lead to future clinical trials based on combinatory approaches, including, for instance, Hh inhibitors and conventional chemotherapy.

New synthetic bile acid analogue agonists of FXR and TGR5 receptors: Analytical methodologies for the study of their physico-chemical properties, pharmacokinetic activity and metabolism.

This thesis reports an integrated analytical approach for the study of physicochemical and biological properties of new synthetic bile acid (BA) analogues agonists of FXR and TGR5 receptors. Structure-activity data were compared with those previous obtained using the same experimental protocols on synthetic and natural occurring BA. The new synthetic BA analogues are classified in different groups according also to their potency as a FXR and TGR5 agonists: unconjugated and steroid modified BA and side chain modified BA including taurine or glycine conjugates and pseudo-conjugates (sulphonate and sulphate analogues). In order to investigate the relationship between structure and activity the synthetic analogues where admitted to a physicochemical characterization and to a preliminary screening for their pharmacokinetic and metabolism using a bile fistula rat model. Sensitive and accurate analytical methods have been developed for the quali-quantitative analysis of BA in biological fluids and sample used for physicochemical studies. Combined High Performance Liquid Chromatography Electrospray tandem mass spectrometry with efficient chromatographic separation of all studied BA and their metabolites have been optimized and validated. Analytical strategies for the identification of the BA and their minor metabolites have been developed. Taurine and glycine conjugates were identified in MS/MS by monitoring the specific ion transitions in multiple reaction monitoring (MRM) mode while all other metabolites (sulphate, glucuronic acid, dehydroxylated, decarboxylated or oxo) were monitored in a selected-ion reaction (SIR) mode with a negative ESI interface by the following ions. Accurate and precise data where achieved regarding the main physicochemical properties including solubility, detergency, lipophilicity and albumin binding . These studies have shown that minor structural modification greatly affect the pharmacokinetics and metabolism of the new analogues in respect to the natural BA and on turn their site of action, particularly where their receptor are located in the enterohepatic circulation.

Farmacocinetica della buprenorfina, e del suo metabolita norbuprenorfina, somministrata come infusione costante nel periodo post-operatorio in cagne sane sottoposte ad ovariectomia

Il dolore non è solo una conseguenza della malattia ma un fattore patogeno che è di per se stesso in grado di perpetuare il danno all’organismo. Il suo trattamento non è quindi solo un atto di umanità ma un contributo ad arrestare la malattia e restituire la salute al paziente. Tra i farmaci più popolari per la terapia del dolore negli animali da affezione si trova la buprenorfina. Questa molecola viene impiegata con successo da anni nel cane e nel gatto per motivi riconducibili, oltre che alla sua efficacia (la sua potenza è diverse volte quella della morfina), alla lunga durata d’azione e alla scarsità degli effetti collaterali. Nonostante l’ampia diffusione e longevità del suo utilizzo, però, sappiamo poco della farmacocinetica di questa molecola negli animali da affezione; i dosaggi clinicamente impiegati sono di fatto estrapolati dagli studi nell’uomo oppure basati su semplici osservazioni degli effetti; i pochi dati farmacocinetici ottenuti nel cane fanno riferimento a singoli boli di dosi che non sempre corrispondono a quelle clinicamente impiegate. Nonostante la buprenorfina trovi il suo principale impiego nelle somministrazioni protratte a lungo (durante il periodo post-operatorio o la degenza ospedaliera) non è mai stato indagato il profilo farmacocinetico della molecola somministrata a boli ripetuti o come infusione continua. Il nostro studio si pone come obiettivo di indagare la farmacocinetica della buprenorfina somministrata come bolo di carico seguito da un’infusione costante a dosaggi considerati clinici in cani sani nel periodo post operatorio. Lo scopo ultimo è quello di sviluppare un protocollo per la somministrazione di questa molecola in modo prolungato in pazienti degenti ed addolorati per poi, in futuro, confrontare la somministrazione come infusione continua con i tradizionali boli ripetuti. Per lo studio sono state utilizzate giovani cagne adulte di taglia media o grande sottoposte ad intervento di ovariectomia.

Mechanisms Contributing to Tyrosin Kinase Inhibitor Resistance in GISTs: Toward a Personalized Therapy

Gastrointestinal stromal tumors (GISTs) are the most common mesenchymal tumors in the gastrointestinal tract. This work considers the pharmacological response in GIST patients treated with imatinib by two different angles: the genetic and somatic point of view. We analyzed polymorphisms influence on treatment outcome, keeping in consideration SNPs in genes involved in drug transport and folate pathway. Naturally, all these intriguing results cannot be considered as the only main mechanism in imatinib response. GIST mainly depends by oncogenic gain of function mutations in tyrosin kinase receptor genes, KIT or PDGFRA, and the mutational status of these two genes or acquisition of secondary mutation is considered the main player in GIST development and progression. To this purpose we analyzed the secondary mutations to better understand how these are involved in imatinib resistance. In our analysis we considered both imatinib and the second line treatment, sunitinib, in a subset of progressive patients. KIT/PDGFRA mutation analysis is an important tool for physicians, as specific mutations may guide therapeutic choices. Currently, the only adaptations in treatment strategy include imatinib starting dose of 800 mg/daily in KIT exon-9-mutated GISTs. In the attempt to individualize treatment, genetic polymorphisms represent a novelty in the definition of biomarkers of imatinib response in addition to the use of tumor genotype. Accumulating data indicate a contributing role of pharmacokinetics in imatinib efficacy, as well as initial response, time to progression and acquired resistance. At the same time it is becoming evident that genetic host factors may contribute to the observed pharmacokinetic inter-patient variability. Genetic polymorphisms in transporters and metabolism may affect the activity or stability of the encoded enzymes. Thus, integrating pharmacogenetic data of imatinib transporters and metabolizing genes, whose interplay has yet to be fully unraveled, has the potential to provide further insight into imatinib response/resistance mechanisms.

New analytical LC-mass spectrometry methodologies for the quali-quantitative determination of natural substances and drugs in complex matrices

This thesis reports an integrated analytical and physicochemical approach for the study of natural substances and new drugs based on mass spectrometry techniques combined with liquid chromatography. In particular, Chapter 1 concerns the study of Berberine a natural substance with pharmacological activity for the treatment of hepatobiliary and intestinal diseases. The first part focused on the relationships between physicochemical properties, pharmacokinetics and metabolism of Berberine and its metabolites. For this purpose a sensitive HPLC-ES-MS/MS method have been developed, validated and used to determine these compounds during their physicochemical properties studies and plasma levels of berberine and its metabolites including berberrubine(M1), demethylenberberine(M3), and jatrorrhizine(M4) in humans. Data show that M1, could have an efficient intestinal absorption by passive diffusion due to a keto-enol tautomerism confirmed by NMR studies and its higher plasma concentration. In the second part of Chapter 1, a comparison between M1 and BBR in vivo biodistribution in rat has been studied. In Chapter 2 a new HPLC-ES-MS/MS method for the simultaneous determination and quantification of glucosinolates, as glucoraphanin, glucoerucin and sinigrin, and isothiocyanates, as sulforaphane and erucin, has developed and validated. This method has been used for the analysis of functional foods enriched with vegetable extracts. Chapter 3 focused on a physicochemical study of the interaction between the bile acid sequestrants used in the treatment of hypercholesterolemia including colesevelam and cholestyramine with obeticolic acid (OCA), potent agonist of nuclear receptor farnesoid X (FXR). In particular, a new experimental model for the determination of equilibrium binding isotherm was developed. Chapter 4 focused on methodological aspects of new hard ionization coupled with liquid chromatography (Direct-EI-UHPLC-MS) not yet commercially available and potentially useful for qualitative analysis and for “transparent” molecules to soft ionization techniques. This method was applied to the analysis of several steroid derivatives.