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.

Design and Characterization of New Luminescent Sensors and Labels

The aim of this Ph.D. project has been the design and characterization of new and more efficient luminescent tools, in particular sensors and labels, for analytical chemistry, medical diagnostics and imaging. Actually both the increasing temporal and spatial resolutions that are demanded by those branches, coupled to a sensitivity that is required to reach the single molecule resolution, can be provided by the wide range of techniques based on luminescence spectroscopy. As far as the development of new chemical sensors is concerned, as chemists we were interested in the preparation of new, efficient, sensing materials. In this context, we kept developing new molecular chemosensors, by exploiting the supramolecular approach, for different classes of analytes. In particular we studied a family of luminescent tetrapodal-hosts based on aminopyridinium units with pyrenyl groups for the detection of anions. These systems exhibited noticeable changes in the photophysical properties, depending on the nature of the anion; in particular, addition of chloride resulted in a conformational change, giving an initial increase in excimeric emission. A good selectivity for dicarboxylic acid was also found. In the search for higher sensitivities, we moved our attention also to systems able to perform amplification effects. In this context we described the metal ion binding properties of three photoactive poly-(arylene ethynylene) co-polymers with different complexing units and we highlighted, for one of them, a ten-fold amplification of the response in case of addition of Zn2+, Cu2+ and Hg2+ ions. In addition, we were able to demonstrate the formation of complexes with Yb3+ an Er3+ and an efficient sensitization of their typical metal centered NIR emission upon excitation of the polymer structure, this feature being of particular interest for their possible applications in optical imaging and in optical amplification for telecommunication purposes. An amplification effect was also observed during this research in silica nanoparticles derivatized with a suitable zinc probe. In this case we were able to prove, for the first time, that nanoparticles can work as “off-on” chemosensors with signal amplification. Fluorescent silica nanoparticles can be thus seen as innovative multicomponent systems in which the organization of photophysically active units gives rise to fruitful collective effects. These precious effects can be exploited for biological imaging, medical diagnostic and therapeutics, as evidenced also by some results reported in this thesis. In particular, the observed amplification effect has been obtained thanks to a suitable organization of molecular probe units onto the surface of the nanoparticles. In the effort of reaching a deeper inside in the mechanisms which lead to the final amplification effects, we also attempted to find a correlation between the synthetic route and the final organization of the active molecules in the silica network, and thus with those mutual interactions between one another which result in the emerging, collective behavior, responsible for the desired signal amplification. In this context, we firstly investigated the process of formation of silica nanoparticles doped with pyrene derivative and we showed that the dyes are not uniformly dispersed inside the silica matrix; thus, core-shell structures can be formed spontaneously in a one step synthesis. Moreover, as far as the design of new labels is concerned, we reported a new synthetic approach to obtain a class of robust, biocompatible silica core-shell nanoparticles able to show a long-term stability. Taking advantage of this new approach we also showed the synthesis and photophysical properties of core-shell NIR absorbing and emitting materials that proved to be very valuable for in-vivo imaging. In general, the dye doped silica nanoparticles prepared in the framework of this project can conjugate unique properties, such as a very high brightness, due to the possibility to include many fluorophores per nanoparticle, high stability, because of the shielding effect of the silica matrix, and, to date, no toxicity, with a simple and low-cost preparation. All these features make these nanostructures suitable to reach the low detection limits that are nowadays required for effective clinical and environmental applications, fulfilling in this way the initial expectations of this research project.

Synthetic strategies of new spin-labelled supramolecular systems

Molecular recognition and self-assembly represent fundamental issues for the construction of supramolecular systems, structures in which the components are held together through non-covalent interactions. The study of host-guest complexes and mechanical interlocked molecules, important examples in this field, is necessary in order to characterize self-assembly processes, achieve more control over the molecular organization and develop sophisticated structures by using properly designed building blocks. The introduction of paramagnetic species, or spin labelling, represents an attractive opportunity that allows their detection and characterization by the Electron Spin Resonance spectroscopy, a valuable technique that provides additional information to those obtained by traditional methods. In this Thesis, recent progresses in the design and the synthesis of new paramagnetic host-guest complexes and rotaxanes characterized by the presence of nitroxide radicals and their investigation by ESR spectroscopy are reported. In Chapter 1 a brief overview of the principal concepts of supramolecular chemistry, the spin labelling approach and the development of ESR methods applied to paramagnetic systems are described. Chapter 2 and 3 are focused on the introduction of radicals in macrocycles as Cucurbiturils and Pillar[n]arenes, due to the interesting binding properties and the potential employment in rotaxanes, in order to investigate their structures and recognition properties. Chapter 4 deals with one of the most studied mechanical interlocked molecules, the bistable [2]rotaxane reported by Stoddart and Heath based on the ciclobis (paraquat-p-phenylene) CBPQT4+, that represents a well known example of molecular switch driven by external stimuli. The spin labelling of analogous architectures allows the monitoring by ESR spectroscopy of the switch mechanism involving the ring compound by tuning the spin exchange interaction. Finally, Chapter 5 contains the experimental procedures used for the synthesis of some of the compounds described in Chapter 2-4.

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.

Characterization of the Staphylococcus aureus bone sialoprotein-binding protein SdrE and the serine protease EpiP

In an attempt to develop a Staphylococcus aureus vaccine, we have applied reverse vaccinology approach, mainly based on in silico screening and proteomics. By using this approach SdrE, a protein belonging to serine-aspartate repeat protein family was identified as potential vaccine antigen against S. aureus. We have investigated the biochemical properties as well as the vaccine potential of SdrE and its highly conserved CnaBE3 domain. We found the protein SdrE to be resistant to trypsin. Further analysis of the resistant fragment revealed that it comprises a CnaBE3 domain, which also showed partial trypsin resistant behavior. Furthermore, intact mass spectrometry of rCnaBE3 suggested the possible presence of isopeptide bond or some other post-translational modification in the protein.However, this observation needs further investigation. Differential Scanning Fluorimetry study reveals that calcium play role in protein folding and provides stability to SdrE. At the end we have demonstrated that SdrE is immunogenic against clinical strain of S. aureus in murine abscess model. In the second part, I characterized a protein, annotated as epidermin leader peptide processing serine protease (EpiP), as a novel S. aureus vaccine candidate. The crystal structure of the rEpiP was solved at 2.05 Å resolution by x-ray crystallography . The structure showed that rEpiP was cleaved somewhere between residues 95 and 100 and cleavage occurs through an autocatalytic intra-molecular mechanism. In addition, the protein expressed by S. aureus cells also appeared to undergo a similar processing event. To determine if the protein acts as a serine protease, we mutated the catalytic serine 393 residue to alanine, generating rEpiP-S393A and solved its crystal structure at a resolution of 1.95 Å. rEpiP-S393A was impaired in its protease activity, as expected. Protective efficacy of rEpiP and the non-cleaving mutant protein was comparable, implying that the two forms are interchangeable for vaccination purposes.

Analysis of the immunological and functional features of the Neisserial Heparin Binding Antigen (NHBA)

Neisserial Heparin Binding Antigen (NHBA) is a surface-exposed lipoprotein ubiquitously expressed by genetically diverse Neisseria meningitidis strains and is an antigen of the multicomponent protein-based 4CMenB vaccine, able to induce bactericidal antibodies in humans and to bind heparin-like molecules. The aim of this study is to characterize the immunological and functional properties of NHBA. To evaluate immunogenicity and the contribution of aminoacid sequence variability to vaccine coverage, we constructed recombinant isogenic strains that are susceptible to bactericidal killing only by anti-NHBA antibodies and engineered them to express equal levels of selected NHBA peptides. In these recombinant strains, we observed different titres associated with the different peptide variants. These recombinant strains were then further engineered to express NHBA chimeric proteins to investigate the regions important for immunogenicity. In natural strains, anti-NHBA antibodies were found to be cross-protective against strains expressing different peptides. To investigate the functional properties of this antigen, the recombinant purified NHBA protein was tested in in vitro binding studies and was found to be able to bind epithelial cells. The binding was abolished when cells were treated specifically with heparinase III, suggesting that the interaction with the cells is mediated by heparan sulfate proteoglycans (HSPG). Mutation of the Arg-rich tract of NHBA abrogated the binding, confirming the importance of this region in mediating the binding to heparin-like molecules. In a panel of N. meningitidis strains, the deletion of nhba resulted in a reduction of adhesion with respect to each isogenic wild type strain. Furthermore, the adhesion of the wild-type strain was prevented by using anti-NHBA polyclonal sera, demonstrating the specificity of the interaction. These results suggest that NHBA could be a novel meningococcal adhesin contributing to host-cell interaction. Moreover, we analysed NHBA NalP-mediated cleavage in different NHBA peptides and showed that not all NHBA peptides are cleaved.

Excitonic properties of transition metal oxide perovskites and workflow automatization of GW schemes

The Many-Body-Perturbation Theory approach is among the most successful theoretical frameworks for the study of excited state properties. It allows to describe the excitonic interactions, which play a fundamental role in the optical response of insulators and semiconductors. The first part of the thesis focuses on the study of the quasiparticle, optical and excitonic properties of \textit{bulk} Transition Metal Oxide (TMO) perovskites using a G$_0$W$_0$+Bethe Salpeter Equation (BSE) approach. A representative set of 14 compounds has been selected, including 3d, 4d and 5d perovskites. An approximation of the BSE scheme, based on an analytic diagonal expression for the inverse dielectric function, is used to compute the exciton binding energies and is carefully bench-marked against the standard BSE results. In 2019 an important breakthrough has been achieved with the synthesis of ultrathin SrTiO3 films down to the monolayer limit. This allows us to explore how the quasiparticle and optical properties of SrTiO3 evolve from the bulk to the two-dimensional limit. The electronic structure is computed with G0W0 approach: we prove that the inclusion of the off-diagonal self-energy terms is required to avoid non-physical band dispersions. The excitonic properties are investigated beyond the optical limit at finite momenta. Lastly a study of the under pressure optical response of the topological nodal line semimetal ZrSiS is presented, in conjunction with the experimental results from the group of Prof. Dr. Kuntscher of the Augsburg University. The second part of the thesis discusses the implementation of a workflow to automate G$_0$W$_0$ and BSE calculations with the VASP software. The workflow adopts a convergence scheme based on an explicit basis-extrapolation approach [J. Klimeš \textit{et al.}, Phys. Rev.B 90, 075125 (2014)] which allows to reduce the number of intermediate calculations required to reach convergence and to explicit estimate the error associated to the basis-set truncation.