Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Advances in (poly)phenol research: novel sources, bioavailability, bioaccumulation and bioactivity

In the last decades, increasing scientific evidence has correlated the regular consumption of (poly)phenol-rich foods to a potential reduction of chronic disease incidence and mortality. However, epidemiological evidence on the role of (poly)phenol intake against the risk of some chronic diseases is promising, but not conclusive. In this framework a proper approach to (poly)phenol research is requested, using a step by step strategy. The plant kingdom produces an overwhelming array of structurally diverse secondary metabolites, among which flavonoids and related phenolic and (poly)phenolic compounds constitute one of the most numerous and widely distributed group of natural products. To date, more than 8000 structures have been classified as members of the phytochemical class of (poly)phenol, and among them over 4000 flavonoids have been identified. For this reason, a detailed food (poly)phenolic characterization is essential to identify the compounds that will likely enter the human body upon consumption, to predict the metabolites that will be generated and to unravel the potential effects of phenolic rich food sources on human health. In the first part of this work the attention was focused on the phenolic characterization of fruit and vegetable supplements, considering the increasing attention recently addressed to the so called "nutraceuticals", and on the main coffee industry by-product, namely coffee silverskin. The interest oriented toward (poly)phenols is then extended to their metabolism within the human body, paramount in the framework of their putative health promoting effects. Like all nutrients and non-nutrients, once introduced through the diet, (poly)phenols are subjected to an intense metabolism, able to convert the native compounds into similar conjugated, as well as smaller and deeply modified molecules, which in turn could be further conjugated. Although great strides have been made in the last decades, some steps of the (poly)phenol metabolism remain unclear and are interesting points of research. In the second part of this work the research was focused on a specific bran fraction, namely aleurone, added in feed pellets and in bread to investigate the absorption, metabolism and bioavailability of its phenolic compounds in animal and humans, with a preliminary in vitro step to determine their potential bioaccesibility. This part outlines the best approaches to assess the bioavailability of specific phenolics in several experimental models. The physiological mechanisms explaining the epidemiological and observational data on phenolics and health, are still far from being unraveled or understood in full. Many published results on phenolic actions at cell levels are biased by the fact that aglycones or native compounds have been used, not considering the previously mentioned chemical and biological transformations. In the last part of this thesis work, a new approach in (poly)phenol bioactivity investigation is proposed, consisting of a medium-long term treatment of animals with a (poly)phenol source, in this specific case resveratrol, the detection of its metabolites to determine their possible specific tissue accumulation, and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action at target tissue level. To conclude, this PhD work has contributed to advancing the field, as novel sources of (poly)phenols have been described, the bioavailability of (poly)phenols contained in a novel specific bran fraction used as ingredient has been evaluated in animal and in humans, and, finally, the tissue accumulation of specific (poly)phenol metabolites and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action has been carried out. For these reasons, this PhD work should be considered an example of adequate approach to the investigation of (poly)phenols and of their bioactivity, unavoidable in the process of unequivocally defining their effects on human health.