Innovative analytical methods for Central Nervous System Drug analysis in biological fluids

During recent years a consistent number of central nervous system (CNS) drugs have been approved and introduced on the market for the treatment of many psychiatric and neurological disorders, including psychosis, depression, Parkinson disease and epilepsy. Despite the great advancements obtained in the treatment of CNS diseases/disorders, partial response to therapy or treatment failure are frequent, at least in part due to poor compliance, but also genetic variability in the metabolism of psychotropic agents or polypharmacy, which may lead to sub-therapeutic or toxic plasma levels of the drugs, and finally inefficacy of the treatment or adverse/toxic effects. With the aim of improving the treatment, reducing toxic/side effects and patient hospitalisation, Therapeutic Drug Monitoring (TDM) is certainly useful, allowing for a personalisation of the therapy. Reliable analytical methods are required to determine the plasma levels of psychotropic drugs, which are often present at low concentrations (tens or hundreds of nanograms per millilitre). The present PhD Thesis has focused on the development of analytical methods for the determination of CNS drugs in biological fluids, including antidepressants (sertraline and duloxetine), antipsychotics (aripiprazole), antiepileptics (vigabatrin and topiramate) and antiparkinsons (pramipexole). Innovative methods based on liquid chromatography or capillary electrophoresis coupled to diode-array or laser-induced fluorescence detectors have been developed, together with the suitable sample pre-treatment for interference removal and fluorescent labelling in case of LIF detection. All methods have been validated according to official guidelines and applied to the analysis of real samples obtained from patients, resulting suitable for the TDM of psychotropic drugs.

Development of original analytical methods for the therapeutic drug monitoring of CNS druges: Antipsychotics, Antidepressants and Anxiolytics-hypnotics

Great strides have been made in the last few years in the pharmacological treatment of neuropsychiatric disorders, with the introduction into the therapy of several new and more efficient agents, which have improved the quality of life of many patients. Despite these advances, a large percentage of patients is still considered “non-responder” to the therapy, not drawing any benefits from it. Moreover, these patients have a peculiar therapeutic profile, due to the very frequent application of polypharmacy, attempting to obtain satisfactory remission of the multiple aspects of psychiatric syndromes. Therapy is heavily individualised and switching from one therapeutic agent to another is quite frequent. One of the main problems of this situation is the possibility of unwanted or unexpected pharmacological interactions, which can occur both during polypharmacy and during switching. Simultaneous administration of psychiatric drugs can easily lead to interactions if one of the administered compounds influences the metabolism of the others. Impaired CYP450 function due to inhibition of the enzyme is frequent. Other metabolic pathways, such as glucuronidation, can also be influenced. The Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of psychotropic drugs is an important tool for treatment personalisation and optimisation. It deals with the determination of parent drugs and metabolites plasma levels, in order to monitor them over time and to compare these findings with clinical data. This allows establishing chemical-clinical correlations (such as those between administered dose and therapeutic and side effects), which are essential to obtain the maximum therapeutic efficacy, while minimising side and toxic effects. It is evident the importance of developing sensitive and selective analytical methods for the determination of the administered drugs and their main metabolites, in order to obtain reliable data that can correctly support clinical decisions. During the three years of Ph.D. program, some analytical methods based on HPLC have been developed, validated and successfully applied to the TDM of psychiatric patients undergoing treatment with drugs belonging to following classes: antipsychotics, antidepressants and anxiolytic-hypnotics. The biological matrices which have been processed were: blood, plasma, serum, saliva, urine, hair and rat brain. Among antipsychotics, both atypical and classical agents have been considered, such as haloperidol, chlorpromazine, clotiapine, loxapine, risperidone (and 9-hydroxyrisperidone), clozapine (as well as N-desmethylclozapine and clozapine N-oxide) and quetiapine. While the need for an accurate TDM of schizophrenic patients is being increasingly recognized by psychiatrists, only in the last few years the same attention is being paid to the TDM of depressed patients. This is leading to the acknowledgment that depression pharmacotherapy can greatly benefit from the accurate application of TDM. For this reason, the research activity has also been focused on first and second-generation antidepressant agents, like triciclic antidepressants, trazodone and m-chlorophenylpiperazine (m-cpp), paroxetine and its three main metabolites, venlafaxine and its active metabolite, and the most recent antidepressant introduced into the market, duloxetine. Among anxiolytics-hypnotics, benzodiazepines are very often involved in the pharmacotherapy of depression for the relief of anxious components; for this reason, it is useful to monitor these drugs, especially in cases of polypharmacy. The results obtained during these three years of Ph.D. program are reliable and the developed HPLC methods are suitable for the qualitative and quantitative determination of CNS drugs in biological fluids for TDM purposes.

Ruolo dei recettori degli estrogeni nella trasduzione del segnale nella neoplasia ovarica

Oestrogen induction of cell proliferation is critical in carcinogenesis of gynaecologic tissues. The effects of oestrogens are mediated by Oestrogen receptor (ER) ERα and ERβ, which are members of the nuclear steroid receptor superfamily. The balance between the ERα/ERβ levels seems critical during carcinogenesis due to their different role in proliferation and apoptosis. SERMs are a class of drugs targeting ERs used especially in the treatment of breast cancer, that despite their usefulness, cause side effects. Therefore, it’s important to develop new active molecules without side effects. In a previous work Andreani et al.(2007) investigated the antitumor activity of a new class of indole-derivatives in 60 different human cancer cell lines. In particular they noted that compound named 3L was able to induce a strong antiproliferative effect in cell lines derived from breast, cervix, ovary ,CNS and colon. The aim of this thesis is to characterize the biological effect in ovarian carcinoma cells (IGROV-1), colon adenocarcinoma cells (HT29), cervix adenocarcinoma cells (HelaS3) and breast cancer cells (MCF7). Among the effect exerted on the other cell lines, the most interesting is the cytostatic effect on IGROV-1. In order to identify the 3L molecular target we monitored the 3L concentration in the IGROV-1 nuclear fractions. The analysis revealed that the drug localizes in the nucleus starting from 6 hrs after treatment, suggesting a nuclear target. The stimulation with oestrogen did not increase the proliferation rate in 3L treated cells, suggesting a possible involvement with oestrogen receptors. Due to the 3L fluorescent properties, we demonstrated a colocalization between the ER and the 3L compound. In particular, a chromatin binding assay revealed the presence of a 3L-ERβ complex bound to DNA, interaction that may be the cause of the observed antiproliferative effect.

Molecole bioattive naturali e sintetiche per la terapia di malattie da aumentato riassorbimento osseo

Le terapie convenzionali per le malattie da aumentato riassorbimento osseo sono limitate dalla tossicità sistemica, bassa biodisponibilità farmacologica e scarsa aderenza alle terapie. In questo studio sono stati considerati approcci terapeutici innovativi basati su composti naturali e sintetici. I) Valutazione dell'attività biologica di composti naturali. Evidenze sperimentali hanno dimostrato l’attività antiproliferativa ed antiapoptotica di piante della Medicina ayurvedica. Queste proprietà sono sfruttabili nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Per chiarire i possibili effetti terapeutici di questi composti, sono stati studiati i decotti di Rubia cordifolia, Hemidesmus indicus, Emblica officinalis, ed Asparagus racemosus. Hemidesmis indicus si è dimostrato il più efficace. II) Valutazione dell'attività biologica di composti sintetici. I bisfosfonati (BP) sono farmaci capaci di legarsi alle superfici minerali ossee e all’idrossiapatite, nei siti di rimodellamento osseo. Poiché i BP inibiscono la funzione degli osteoclasti, sono convenzionalmente impiegati nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Tuttavia, gli elevati costi e gli effetti collaterali legati alla somministrazione determinano una scarsa aderenza al trattamento condizionandone l’efficacia. Scopo di questo studio è stato quello di valutare l'attività biologica di BP chimicamente innovativi, meno tossici e sintetizzati con strategie catalitiche semplificate ed ecocompatibili, in modo da ridurre i costi di produzione. È stato valutato l’effetto citotossico e antiosteoclastico dei composti e confrontato con quello dei BP comunemente impiegati in clinica (neridronato, pamidronato e alendronato). I risultati sono stati considerati raggiunti qualora fossero identificati BP di nuova sintesi non citotossici e capaci di conservare almeno il 90% della capacità dei substrati di base di inibire il riassorbimento osseo. Tutti i composti di nuova sintesi sono risultati meno tossici del BP convenzionale, anche a concentrazioni più elevate ed i più efficaci sono stati un BP coniugato con acido biliare, un BP aromatico contenente azoto ed un BP alifatico contenente zolfo.

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.

Sindrome di cushing nel cane: Nuove prospettive diagnostiche e terapeutiche

La sindrome di Cushing (SC) è una delle endocrinopatie più comuni nel cane. La diagnosi richiede l'integrazione di anamnesi, segnalamento, segni clinici, esami ematobiochimici, test endocrini specifici e diagnostica per immagini . Nel corso degli anni diversi sono i principi attivi testati per la terapia della SC del cane. In passato, il mitotane è stato il farmaco più utilizzato, sebbene il suo uso risulti complicato e non privo di potenziali effetti collaterali. Recentemente, il trilostano ha dimostrato di essere un trattamento efficace per il controllo dei sintomi ed è stato approvato per tale uso nel cane. Al fine di testare metodiche non invasive per la diagnosi di SC nel cane abbiamo valutato le concentrazioni di cortisolo nel pelo (HCC) .Queste risultavano significativamente più elevate nei cani con SC rispetto ai cani sani e malati. Questo test può essere quindi considerato una procedura diagnostica non invasiva in cani con un elevato sospetto di SC. Inoltre, a causa della difficile reperibilità dell’ACTH esogeno sono state valutate le concentrazioni di cortisolo basale come strumento di monitoraggio in cani con SC trattati con trilostano. Tuttavia la singola valutazione del cortisolo basale non rappresenta un parametro efficace ed accurato per il monitoraggio della terapia con trilostano. Sono stati inoltre valutati i fattori prognostici in cani con SC alla diagnosi. L' iperfosfatemia è risultata un riscontro comune nei cani SC, rappresentando un fattore prognostico negativo. La terapia chirurgica non è una procedura di routine nella SC del cane, tuttavia abbiamo descritto l'approccio di ipofisectomia transsfenoidale in un Galgo spagnolo di 8 anni con SC . Il cane è stato sottoposto per due volte ad ipofisectomia transsfenoidale che ha permesso di rimuovere completamente il macroadenoma ipofisario. In conclusione, questi studi ci hanno permesso di indagare alcuni aspetti patogenetici, clinici e diagnostici della SC del cane.

In vitro characterisation and expansion of human regulatory T cells for their in vivo application in the induction of tolerance in haematopoietic stem cell and solid organ transplantation

Solid organ transplantation (SOT) is considered the treatment of choice for many end-stage organ diseases. Thus far, short term results are excellent, with patient survival rates greater than 90% one year post-surgery, but there are several problems with the long term acceptance and use of immunosuppressive drugs. Hematopoietic Stem Cells Transplantation (HSCT) concerns the infusion of haematopoietic stem cells to re-establish acquired and congenital disorders of the hematopoietic system. The main side effect is the Graft versus Host Disease (GvHD) where donor T cells can cause pathology involving the damage of host tissues. Patients undergoing acute or chronic GvHD receive immunosuppressive regimen that is responsible for several side effects. The use of immunosuppressive drugs in the setting of SOT and GvHD has markedly reduced the incidence of acute rejection and the tissue damage in GvHD however, the numerous adverse side effects observed boost the development of alternative strategies to improve the long-term outcome. To this effect, the use of CD4+CD25+FOXP3+ regulatory T cells (Treg) as a cellular therapy is an attractive approach for autoimmunity disease, GvHD and limiting immune responses to allograft after transplantation. Treg have a pivotal role in maintaining peripheral immunological tolerance, by preventing autoimmunity and chronic inflammation. Results of my thesis provide the characterization and cell processing of Tregs from healthy controls and patients in waiting list for liver transplantation, followed by the development of an efficient expansion-protocol and the investigation of the impact of the main immunosuppressive drugs on viability, proliferative capacity and function of expanded cells after expansion. The conclusion is that ex vivo expansion is necessary to infuse a high Treg dose and although many other factors in vivo can contribute to the success of Treg therapy, the infusion of Tregs during the administration of the highest dose of immunosuppressants should be carefully considered.