Genetic engineering and preclinical evaluation of oncolytic herpes simplex viruses retargeted to cancer-specific receptors

Oncolytic virotherapy exploits the ability of viruses to infect and kill cells. It is suitable as treatment for tumors that are not accessible by surgery and/or respond poorly to the current therapeutic approach. HSV is a promising oncolytic agent. It has a large genome size able to accommodate large transgenes and some attenuated oncolytic HSVs (oHSV) are already in clinical trials phase I and II. The aim of this thesis was the generation of HSV-1 retargeted to tumor-specific receptors and detargeted from HSV natural receptors, HVEM and Nectin-1. The retargeting was achieved by inserting a specific single chain antibody (scFv) for the tumor receptor selected inside the HSV glycoprotein gD. In this research three tumor receptors were considered: epidermal growth factor receptor 2 (HER2) overexpressed in 25-30% of breast and ovarian cancers and gliomas, prostate specific membrane antigen (PSMA) expressed in prostate carcinomas and in neovascolature of solid tumors; and epidermal growth factor receptor variant III (EGFRvIII). In vivo studies on HER2 retargeted viruses R-LM113 and R-LM249 have demonstrated their high safety profile. For R-LM249 the antitumor efficacy has been highlighted by target-specific inhibition of the growth of human tumors in models of HER2-positive breast and ovarian cancer in nude mice. In a murine model of HER2-positive glioma in nude mice, R-LM113 was able to significantly increase the survival time of treated mice compared to control. Up to now, PSMA and EGFRvIII viruses (R-LM593 and R-LM613) are only characterized in vitro, confirming the specific retargeting to selected targets. This strategy has proved to be generally applicable to a broad spectrum of receptors for which a single chain antibody is available.

The Domon Family of Plant Plasma Membrane B-Type Cytochromes: Heterologous Expression, Biochemical Characterization and Physiological Roles in Vivo

The DOMON domain is a domain widespread in nature, predicted to fold in a β-sandwich structure. In plants, AIR12 is constituted by a single DOMON domain located in the apoplastic space and is GPI-modified for anchoring to the plasma membrane. Arabidopsis thaliana AIR12 has been heterologously expressed as a recombinant protein (recAtAIR12) in Pichia pastoris. Spectrophotometrical analysis of the purified protein showed that recAtAir12 is a cytochrome b. RecAtAIR12 is highly glycosylated, it is reduced by ascorbate, superoxide and naftoquinones, oxidised by monodehydroascorbate and oxygen and insensitive to hydrogen peroxide. The addition of recAtAIR12 to permeabilized plasma membranes containing NADH, FeEDTA and menadione, caused a statistically significant increase in hydroxyl radicals as detected by electron paramagnetic resonance. In these conditions, recAtAIR12 has thus a pro-oxidant role. Interestingly, AIR12 is related to the cytochrome domain of cellobiose dehydrogenase which is involved in lignin degradation, possibly via reactive oxygen species (ROS) production. In Arabidopsis the Air12 promoter is specifically activated at sites where cell separations occur and ROS, including •OH, are involved in cell wall modifications. air12 knock-out plants infected with Botrytis cinerea are more resistant than wild-type and air12 complemented plants. Also during B. cinerea infection, cell wall modifications and ROS are involved. Our results thus suggest that AIR12 could be involved in cell wall modifying reactions by interacting with ROS and ascorbate. CyDOMs are plasma membrane redox proteins of plants that are predicted to contain an apoplastic DOMON fused with a transmembrane cytochrome b561 domain. CyDOMs have never been purified nor characterised. The trans-membrane portion of a soybean CyDOM was expressed in E. coli but purification could not be achieved. The DOMON domain was expressed in P. pastoris and shown to be itself a cytochrome b that could be reduced by ascorbate.

Studio del comportamento flesso-torsionale di un telaio in materiale composito per vettura sportiva

Lo studio svolto in merito alle tecniche di produzione di componenti strutturali in materiale composito ha permesso il raggiungimento di una precisa consapevolezza dello stato dell’arte del settore, in particolare in riferimento ai processi attualmente utilizzati per l’industrializzazione in media-grande serie. Con l’obiettivo di sintetizzare i principali vantaggi delle tecnologie suddette e permettere la realizzazione di forme più complesse, si è proceduto all’analisi di fattibilità, attraverso uno studio funzionale e una prima progettazione di una tecnologia di produzione per nastratura automatizzata di componenti strutturali in materiale composito. Si è voluto quindi dimostrare la flessibilità e la consistenza del processo disegnando un telaio nastrato in carbonio, intercambiabile al telaio FSAE 2009 in tubolare d’acciaio (stessi punti di attacco motore, punti di attacco telaietto posteriore, attacchi sospensioni anteriori) e che garantisca un sostanziale vantaggio in termini di peso, a pari rigidezza torsionale. La caratterizzazione di tale telaio è stata eseguita mediante l'utilizzo del calcolo strutturale, validato da prove sperimentali.

RNA non-codificanti indotti da danno al DNA regolano il fattore di trascrizione HIF-1α

Recenti analisi sull’intero trascrittoma hanno rivelato una estensiva trascrizione di RNA non codificanti (ncRNA), le quali funzioni sono tuttavia in gran parte sconosciute. In questo lavoro è stato dimostrato che alte dosi di camptotecina (CPT), un farmaco antitumorale inibitore della Top1, aumentano la trascrizione di due ncRNA antisenso in 5’ e 3’ (5'aHIF-1α e 3'aHIF-1α rispettivamente) al locus genico di HIF-1α e diminuiscono i livelli dell’mRNA di HIF-1α stesso. Gli effetti del trattamento sono Top1-dipendenti, mentre non dipendono dal danno al DNA alla forca di replicazione o dai checkpoint attivati dal danno al DNA. I ncRNA vengono attivati in risposta a diversi tipi di stress, il 5'aHIF-1α è lungo circa 10 kb e possiede sia il CAP in 5’ sia poliadenilazione in 3’ (in letteratura è noto che il 3'aHIF-1α è un trascritto di 1,7 kb, senza 5’CAP né poliadenilazione). Analisi di localizzazione intracellulare hanno dimostrato che entrambi sono trascritti nucleari. In particolare 5'aHIF-1α co-localizza con proteine del complesso del poro nucleare, suggerendo un suo possibile ruolo come mediatore degli scambi della membrana nucleare. È stata dimostrata inoltre la trascrizione dei due ncRNA in tessuti di tumore umano del rene, evidenziandone possibili ruoli nello sviluppo del cancro. È anche noto in letteratura che basse dosi di CPT in condizioni di ipossia diminuiscono i livelli di proteina di HIF-1α. Dopo aver dimostrato su diverse linee cellulari che i due ncRNA sopracitati non potessero essere implicati in tale effetto, abbiamo studiato le variazioni dell’intero miRnoma alle nuove condizioni sperimentali. In tal modo abbiamo scoperto che il miR-X sembra essere il mediatore molecolare dell’abbattimento di HIF-1α dopo trattamento con basse dosi di CPT in ipossia. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che il fattore di trascrizione HIF-1α venga finemente regolato da RNA non-codificanti indotti da danno al DNA.

Isufficienza Placentare nella Specie Equina

Lo sviluppo e la funzionalità della placenta influenzano direttamente la crescita ed il benessere del feto all'interno dell'utero, quindi qualsiasi problema strutturale o funzionale della placenta influenzerà lo sviluppo del feto. Lo scopo di questa tesi è stato quello di approfondire diversi aspetti clinici e clinico-patologici dell’insufficienza placentare nella specie equina, con l’intento di individuare dei parametri che possano essere di ausilio per l’identificazione precoce del puledro a rischio e della necessità di interventi terapeutici. La valutazione della concentrazione di lattato nel sangue e nel liquido amniotico potrebbe essere un utile strumento diagnostico per la diagnosi di acidosi metabolica associata ad ipossia/ischemia nel puledro e per identificare la necessità di un intervento precoce alla nascita. La risposta all’ipossia sembra essere mediata dall’HIF-1 e dall’HSF-1 anche nel puledro neonato, e se questi dati venissero confermati su un numero maggiore di animali, i due marcatori proteici e la MDA potrebbero essere utilizzati per la diagnosi di PAS nel puledro. L’esame di tutta l’unità placentare riveste un ruolo di fondamentale importanza per l’acquisizione di informazioni riguardo all’ambiente di vita intrauterino del puledro, ed è quindi auspicabile nella pratica ostetrica routinaria una maggiore attenzione all’esame della placenta, soprattutto in caso di patologie materno-fetali. Tra i parametri biochimici valutati al momento della nascita, la creatininemia e la glicemia possono fornire informazioni sull’efficienza dello scambio placentare ed essere quindi utilizzati per individuare puledri a rischio. Infine, lo sviluppo di una macro per il software ImageJ porta alla luce uno strumento nuovo, semplice da usare ed economico, per la valutazione morfometrica dell’arborizzazione dei villi placentari; tuttavia la ricerca necessità ulteriori indagini su un numero maggiore di animali per valutare le differenze morfometriche tra placente normali e patologiche.

Streptococcus agalactiae adapts to glucose stress conditions by modulating gene expression profile

Diabetes mellitus is considered a risk factor for Group B Streptococcus (GBS) infections. Typically, this pathology is associated to high glucose levels in the bloodstream. Although clinical evidences support this notion, the physiological mechanisms underlying GBS adaptation to such conditions are not yet defined. In the attempt to address this issue, we performed comparative global gene expression analysis of GBS grown under glucose-stress conditions and observed that a number of metabolic and virulence genes was differentially regulated. Of importance, we also demonstrated that by knocking-out the csrRS locus the transcription profile of GBS grown in high-glucose conditions was profoundly affected, with more than a third of glucose-dependent genes, including the virulence factor bibA, found to be controlled by this two-component system. Furthermore, in vitro molecular analysis showed that CsrR specifically binds to the bibA promoter and the phosphorilation increases the affinity of the regulator to this promoter region. Moreover, we demonstrated that CsrR acts as a repressor of bibA expression by binding to its promoter in vivo. In conclusion, this work by elucidating both the response of GBS to pathological glucose conditions and the underlined molecular mechanisms will set the basis for a better understanding of GBS pathogenesis.

Trascriptome analysis and functional genomics of Neisseria meningitidis in human blood

Neisseria meningitidis (Nm) is the major cause of septicemia and meningococcal meningitis. During the course of infection, it must adapt to different host environments as a crucial factor for survival. Despite the severity of meningococcal sepsis, little is known about how Nm adapts to permit survival and growth in human blood. A previous time-course transcriptome analysis, using an ex vivo model of human whole blood infection, showed that Nm alters the expression of nearly 30% of ORFs of the genome: major dynamic changes were observed in the expression of transcriptional regulators, transport and binding proteins, energy metabolism, and surface-exposed virulence factors. Starting from these data, mutagenesis studies of a subset of up-regulated genes were performed and the mutants were tested for the ability to survive in human whole blood; Nm mutant strains lacking the genes encoding NMB1483, NalP, Mip, NspA, Fur, TbpB, and LctP were sensitive to killing by human blood. Then, the analysis was extended to the whole Nm transcriptome in human blood, using a customized 60-mer oligonucleotide tiling microarray. The application of specifically developed software combined with this new tiling array allowed the identification of different types of regulated transcripts: small intergenic RNAs, antisense RNAs, 5’ and 3’ untranslated regions and operons. The expression of these RNA molecules was confirmed by 5’-3’RACE protocol and specific RT-PCR. Here we describe the complete transcriptome of Nm during incubation in human blood; we were able to identify new proteins important for survival in human blood and also to identify additional roles of previously known virulence factors in aiding survival in blood. In addition the tiling array analysis demonstrated that Nm expresses a set of new transcripts, not previously identified, and suggests the presence of a circuit of regulatory RNA elements used by Nm to adapt to proliferate in human blood.

Characterization of the structure and iron uptake mechanisms of the Staphylococcus aureus ferric hydroxamate-binding lipoprotein FhuD2

The Reverse Vaccinology (RV) approach allows using genomic information for the delineation of new protein-based vaccines starting from an in silico analysis. The first powerful example of the application of the RV approach is given by the development of a protein-based vaccine against serogroup B Meningococcus. A similar approach was also used to identify new Staphylococcus aureus vaccine candidates, including the ferric hydroxamate-binding lipoprotein FhuD2. S. aureus is a widespread human pathogen, which employs various different strategies for iron uptake, including: (i) siderophore-mediated iron acquisition using the endogenous siderophores staphyloferrin A and B, (ii) siderophore-mediated iron acquisition using xeno-siderophores (the pathway exploited by FhuD2) and (iii) heme-mediated iron acquisition. In this work the high resolution crystal structure of FhuD2 in the iron (III)-siderophore-bound form was determined. FhuD2 belongs to the Periplasmic Binding Protein family (PBP ) class III, and is principally formed by two globular domains, at the N- and C-termini of the protein, that make up a cleft where ferrichrome-iron (III) is bound. The N- and C-terminal domains, connected by a single long α-helix, present Rossmann-like folds, showing a β-stranded core and an α-helical periphery, which do not undergo extensive structural rearrangement when they interact with the ligand, typical of class III PBP members. The structure shows that ferrichrome-bound iron does not come directly into contact with the protein; rather, the metal ion is fully coordinated by six oxygen donors of the hydroxamate groups of three ornithine residues, which, with the three glycine residues, make up the peptide backbone of ferrichrome. Furthermore, it was found that iron-free ferrichrome is able to subtract iron from transferrin. This study shows for the first time the structure of FhuD2, which was found to bind to siderophores ,and that the protein plays an important role in S. aureus colonization and infection phases.

Insights in the maturation of pathogenic bacteria vaccine candidates using mass spectrometry based approaches

The study of the maturation process that occurs to a protein is of pivotal importance for the understanding of its function. This is true also in the vaccine field but in this case is also important to evaluate if inappropriate protein conformation and maturation play roles in the impairment of the functional immunogenicity of protein vaccines. Mass spectrometry (MS) is the method of choice for the study of the maturation process since each modification that occurs during the maturation will lead to a change in the mass of the entire protein. Therefore the aim of my thesis is the development of mass spectrometry-based approaches to study the maturation of proteins and the application of these methods to proteic vaccine candidates. The thesis is divided in two main parts. In the first part, I focused my attention on the study of the maturation of different vaccine candidates using native mass spectrometry. The analyses in this case have been performed using recombinant proteins produced in E. coli. In the second part I applied different MS strategies for the identification of unknown PTMs on pathogenic bacteria surface proteins since modified surface proteins are now considered for vaccine candidate selection.

Risultati funzionali a lungo termine dopo sutura o plicatura del diaframma

Obbiettivo. Analizzare la funzionalità polmonare e diaframmatica dopo interventi di plicatura del diaframma con rete di rinforzo peri-costale eseguiti per relaxatio e riparazione di ernia transdiaframmatica cronica mediante riduzione e sutura diretta. Metodi. Dal 1996 al 2010, 10 pazienti con relaxatio unilaterale del diaframma e 6 pazienti con ernia transdiaframmatica cronica misconosciuta sono stati sottoposti a chirurgia elettiva. Gli accertamenti preoperatori e al follow-up di 12 mesi includevano prove di funzionalità respiratoria, misura della pressione massimale inspiratoria alla bocca in clino e ortostatismo, emogasanlisi, TC del torace e dispnea score. Risultati. I pazienti dei due gruppi non differivano in termini di funzionalità respiratoria preoperatoria nè di complicanze postoperatorie; al follow-up a 12 mesi il gruppo Eventrazione mostrava un significativo aumento del FEV1% (+18,2 – p<0.001), FVC% (+12,8 – p<0.001), DLCO% (+6,84 – p=0,04) e pO2 (+9,8 mmHg – p<0.001). Al contrario nrl gruppo Ernia solo il miglioramento della pO2 era significativo (+8.3 – p=0.04). Sebbene la massima pressione inspiratoria (PImax) fosse aumentata in entrambi i gruppi al follow-up, i pazienti operati per ernia mostravano un miglioramento limitato con persistente caduta significativa della PImax dall’ortostatismo al clinostatismo (p<0.001). Il Transitional dyspnoea score è stato concordante con tali miglioramenti pur senza differenze significative tra i due gruppi. La TC del torace ha evidenziato una sopraelevazione dell’emidiaframma suturato, senza recidiva di ernia, mentre i pazienti sottoposti a plicatura hanno mantenuto l’ipercorrezione. Conclusioni. L’utilizzo di un rinforzo protesico è sicuro e sembra assicurare risultati funzionali migliori a distanza in termini di flussi respiratori e di movimento paradosso del diaframma (valutato mediante PImax). Lacerazioni estese del diaframma coinvolgenti le branche principali di suddivisione del nervo frenico si associano verosimilmente a una relaxatio che può quindi ridurre il guadagno funzionale a lungo termine se non adeguatamente trattata mediante l’utilizzo di un rinforzo protesico.

Valutazione della psoriasi ungueale come fattore di rischio per lo sviluppo di artropatia psoriasica - studio pilota

Scopo della tesi è verificare se i pazienti affetti da psoriasi puramente ungueale sviluppano psoriasi artropatica e se esistono parametri clinici che possano permettere di predire lo sviluppo del danno articolare. Viene inoltre valutato l'impatto che la psoriasi ungueale, associata alla psoriasi artropatica, determina sulla qualità di vita dei nostri pazienti. L'artrite psoriasica è spesso associata a psoriasi ungueale, che è più frequente nei pazienti con artrite psoriasica rispetto ai pazienti con psoriasi cutanea. Vi è una stretta relazione funzionale tra l'unghia e l'articolazione interfalangea distale, i tendini e i legamenti: lo sviluppo di entesite della falange distale è infatti associato ad una infiammazione dell'apparato ungueale. Riportiamo i dati preliminari emersi dal nostro studio pilota, che conferma come siano necessari e doverosi ulteriori studi su popolazioni più ampie per determinare la relazione che sussiste fra psoriasi ungueale e psoriasi artropatica

The effect of osmolytes on protein fold stability at the single-molecule level

By pulling and releasing the tension on protein homomers with the Atomic Force Miscroscope (AFM) at different pulling speeds, dwell times and dwell distances, the observed force-response of the protein can be fitted with suitable theoretical models. In this respect we developed mathematical procedures and open-source computer codes for driving such experiments and fitting Bell’s model to experimental protein unfolding forces and protein folding frequencies. We applied the above techniques to the study of proteins GB1 (the B1 IgG-binding domain of protein G from Streptococcus) and I27 (a module of human cardiac titin) in aqueous solutions of protecting osmolytes such as dimethyl sulfoxide (DMSO), glycerol and trimethylamine N-oxide (TMAO). In order to get a molecular understanding of the experimental results we developed an Ising-like model for proteins that incorporates the osmophobic nature of their backbone. The model benefits from analytical thermodynamics and kinetics amenable to Monte-Carlo simulation. The prevailing view used to be that small protecting osmolytes bridge the separating beta-strands of proteins with mechanical resistance, presumably shifting the transition state to significantly higher distances that correlate with the molecular size of the osmolyte molecules. Our experiments showed instead that protecting osmolytes slow down protein unfolding and speed-up protein folding at physiological pH without shifting the protein transition state on the mechanical reaction coordinate. Together with the theoretical results of the Ising-model, our results lend support to the osmophobic theory according to which osmolyte stabilisation is a result of the preferential exclusion of the osmolyte molecules from the protein backbone. The results obtained during this thesis work have markedly improved our understanding of the strategy selected by Nature to strengthen protein stability in hostile environments, shifting the focus from hypothetical protein-osmolyte interactions to the more general mechanism based on the osmophobicity of the protein backbone.

Rilievi anatomo-patologici e batteriologici condotti sull’apparato gastroenterico di una metapopolazione di cinghiali (Sus scrofa)

Nell’ambito della patologia gastroenterica del suino sono comprese alcune malattie sostenute da batteri spirillari gram negativi, di cui sono disponibili numerose trattazioni riguardanti, soprattutto, l'aspetto epidemiologico e patogenetico. Per alcuni di questi agenti microbici, e per le relative manifestazioni patologiche, poco si conosce nel cinghiale selvatico, animale correlato filogeneticamente al suino domestico, ma compreso in un’ecologia completamente differente. Da queste premesse è nato un approccio di ricerca e studio del comportamento di questi microrganismi in una metapopolazione di cinghiali, abbattuti durante il piano di controllo della popolazione densità-dipendente nel Parco dei Gessi e Calanchi dell’Abbadessa (BO), cercando di rapportare le conoscenze riportate in letteratura sul suino domestico con quanto è scaturito dalle indagini condotte sul cinghiale selvatico. In particolare è stata indagata con metodica immunoistochimica la presenza di Lawsonia intracellularis, patogeno del suino responsabile di Enterite Proliferativa (EP), in secondo luogo sono state condotte indagini batteriologiche e istologiche da stomaco e intestino, finalizzate all’isolamento di microrganismi spirillari dei generi Campylobacter e Helicobacter, da correlare all’eventuale presenza di lesioni infiammatorie e ulcerative gastriche o enteriche valutate secondo sistemi a punteggio ottenuti dalla bibliografia o realizzati in base alla tipologia di infiltrato cellulare e alla sua localizzazione. In ultimo, a fini comparativi con uno studio condotto nel 2002-2004 nello steso Parco Regionale, sono stati monitorati i livelli di antibioticoresistenza di indicatori fecali usando metodiche internazionali standardizzate (Escherichia coli e Enterococcus faecium.) nonché su un numero significativo di isolati di Campylobacter lanienae, per ottenere indicazioni preliminari sull’andamento nei 10 anni trascorsi dello stato di inquinamento da farmaco del Parco stesso. I risultati ottenuti permettono di ampliare le conoscenze sulla flora enterica del cinghiale selvatico e pongono questioni di sicurezza pubblica sulla gestione dei mammiferi selvatici.

Valutazione dello spostamento tridimensionale degli impianti in giovani pazienti affetti da EDs riabilitati con overdenture implanto-supportati

Ectodermal Dysplasias syndrome (EDs) are a heterogeneous group of inherited disorders characterized by dysplasia of tissues of ectodermal origin. Complete or partial anodontia are the most frequent dental findings. Prosthetic rehabilitation is recommended from functional, esthetic, and psychological points of view. Because of the anatomical abnormalities of existing teeth and alveolar ridges, conventional prosthetic rehabilitation in young patient is often difficult. Five growing patients (age 9 to 11 years) with oligo- or anodontia were prosthetically rehabilitated. Panoramic film and Cone Bean Computerized Tomography were performed and a resin model of mandibular bone was made. Despite a remarkable multi-dimensional atrophy of the alveolar bone, the insertion of two tapered implants was possible. After a submerged healing period of 2 month, the implants were exposed and abutment connection was performed. Implants were connected with an expansion bar that permits mandibular growth and prosthetic retention. A removable prosthesis was constructed with ball attachments. Mandibular growth was followed and evaluated using the expansion guide and cephalometric radiographs. Mandibular growth in sagittal and transverse direction had no adverse effects on implant position. The expansion bar permitted the undisturbed growth of the mandible. After 4.5 years of follow-up, this study showed that Implant-supported overdenture may improve oral function, phonesis and esthetics. The mandibular rotation accompanying growth had not caused a significant problem relative to the angulation and migration of the implants. Implants can be successfully placed, restored and loaded in growing EDs patients. The cephalometric analysis supported that EDs patients show midface hypoplasia with a class III tendency, which can be avoided by early rehabilitation. Thanks to the good stability and retention of the implant-supported overdenture, patients considered the prostheses as comparable to natural teeth.

Electrochemical sensing strategies for the detection of interactions between biological macromolecules

Electrochemical biosensors provide an attractive means to analyze the content of a biological sample due to the direct conversion of a biological event to an electronic signal, enabling the development of cheap, small, portable and simple devices, that allow multiplex and real-time detection. At the same time nanobiotechnology is drastically revolutionizing the biosensors development and different transduction strategies exploit concepts developed in these field to simplify the analysis operations for operators and end users, offering higher specificity, higher sensitivity, higher operational stability, integrated sample treatments and shorter analysis time. The aim of this PhD work has been the application of nanobiotechnological strategies to electrochemical biosensors for the detection of biological macromolecules. Specifically, one project was focused on the application of a DNA nanotechnology called hybridization chain reaction (HCR), to amplify the hybridization signal in an electrochemical DNA biosensor. Another project on which the research activity was focused concerns the development of an electrochemical biosensor based on a biological model membrane anchored to a solid surface (tBLM), for the recognition of interactions between the lipid membrane and different types of target molecules.