Mass spectrometry-based protein profiling strategies for biomarker discovery in liver and inflammatory bowel diseases

The study of protein expression profiles for biomarker discovery in serum and in mammalian cell populations needs the continuous improvement and combination of proteins/peptides separation techniques, mass spectrometry, statistical and bioinformatic approaches. In this thesis work two different mass spectrometry-based protein profiling strategies have been developed and applied to liver and inflammatory bowel diseases (IBDs) for the discovery of new biomarkers. The first of them, based on bulk solid-phase extraction combined with matrix-assisted laser desorption/ionization - Time of Flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) and chemometric analysis of serum samples, was applied to the study of serum protein expression profiles both in IBDs (Crohn’s disease and ulcerative colitis) and in liver diseases (cirrhosis, hepatocellular carcinoma, viral hepatitis). The approach allowed the enrichment of serum proteins/peptides due to the high interaction surface between analytes and solid phase and the high recovery due to the elution step performed directly on the MALDI-target plate. Furthermore the use of chemometric algorithm for the selection of the variables with higher discriminant power permitted to evaluate patterns of 20-30 proteins involved in the differentiation and classification of serum samples from healthy donors and diseased patients. These proteins profiles permit to discriminate among the pathologies with an optimum classification and prediction abilities. In particular in the study of inflammatory bowel diseases, after the analysis using C18 of 129 serum samples from healthy donors and Crohn’s disease, ulcerative colitis and inflammatory controls patients, a 90.7% of classification ability and a 72.9% prediction ability were obtained. In the study of liver diseases (hepatocellular carcinoma, viral hepatitis and cirrhosis) a 80.6% of prediction ability was achieved using IDA-Cu(II) as extraction procedure. The identification of the selected proteins by MALDITOF/ TOF MS analysis or by their selective enrichment followed by enzymatic digestion and MS/MS analysis may give useful information in order to identify new biomarkers involved in the diseases. The second mass spectrometry-based protein profiling strategy developed was based on a label-free liquid chromatography electrospray ionization quadrupole - time of flight differential analysis approach (LC ESI-QTOF MS), combined with targeted MS/MS analysis of only identified differences. The strategy was used for biomarker discovery in IBDs, and in particular of Crohn’s disease. The enriched serum peptidome and the subcellular fractions of intestinal epithelial cells (IECs) from healthy donors and Crohn’s disease patients were analysed. The combining of the low molecular weight serum proteins enrichment step and the LCMS approach allowed to evaluate a pattern of peptides derived from specific exoprotease activity in the coagulation and complement activation pathways. Among these peptides, particularly interesting was the discovery of clusters of peptides from fibrinopeptide A, Apolipoprotein E and A4, and complement C3 and C4. Further studies need to be performed to evaluate the specificity of these clusters and validate the results, in order to develop a rapid serum diagnostic test. The analysis by label-free LC ESI-QTOF MS differential analysis of the subcellular fractions of IECs from Crohn’s disease patients and healthy donors permitted to find many proteins that could be involved in the inflammation process. Among them heat shock protein 70, tryptase alpha-1 precursor and proteins whose upregulation can be explained by the increased activity of IECs in Crohn’s disease were identified. Follow-up studies for the validation of the results and the in-depth investigation of the inflammation pathways involved in the disease will be performed. Both the developed mass spectrometry-based protein profiling strategies have been proved to be useful tools for the discovery of disease biomarkers that need to be validated in further studies.

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.

Studio Sperimentale e Modellazione della Separazione di Proteine con Membrane di Affinità

Chromatography represents one of the most important and widely used unit operation in the biotechnology industry. However this technique suffers from several limitations such as high pressure drop, slow mass transfer through the diffusive pores and strong dependence of the binding capacity on flow rate. In this work, affinity membranes with improved capacity have been considered as an alternative technology for the capturing step in antibody manufacturing. Several affinity membranes have been prepared starting from various membrane supports. Different affinity ligands have been utilized like Protein A, the natural ligand of choice for antibodies, as well as synthetic ligands that exhibit affinity for the Fc portion of antibodies. The membranes have been characterized in detail: binding and elution performance was evaluated in adsorption experiments using pure IgG solutions, while membrane selectivity was evaluated using complex solutions like a cell culture supernatant. The most promising affinity membranes were extensively tested in dynamic experiments. The effects of operating parameters like feed concentration and flow rate on separation performances like binding capacity, selectivity and process yield have been studied in detail in order to find the optimal conditions for binding and elution steps. The membranes have been used over several complete chromatographic cycles to evaluate the effects of ageing and of membrane regeneration on dynamic binding capacity. A novel mathematical model is proposed that can describe all the chromatographic steps involved in the membrane affinity chromatography process for protein purification. The mathematical description is based on the species continuity equation coupled with a proper binding kinetic equation, and suitable to describe adequately the dispersion phenomena occurring both in the micro-porous membranes as well as in the extra-column devices used in the system. The model considers specifically all the different chromatographic steps, namely adsorption, washing and elution. The few relevant fitting parameters of the model were derived from a calibration with the experimental affinity cycles performed with pure IgG solutions, then the model is used to describe experimental data obtained in chromatographic cycles carried out with complex feeds as the cell culture supernatant. Simulations reveal a good agreement with experimental data in all the chromatography steps, both in the case of pure IgG solutions and for the cell culture supernatant considered.