Ruolo dell'Enantiomero (R)-9-HSA nel controllo della proliferazione in una linea di Adenocarcinoma del Colon umano

9-hydroxystearic acid (9-HSA) is an endogenous lipoperoxidation product and its administration to HT29, a colon adenocarcinoma cell line, induced a proliferative arrest in G0/G1 phase mediated by a direct activation of the p21WAF1 gene, bypassing p53. We have previously shown that 9-HSA controls cell growth and differentiation by inhibiting histone deacetylase 1 (HDAC1) activity, showing interesting features as a new anticancer drug. The interaction of 9-HSA with the catalytic site of the 3D model has been tested with a docking procedure: noticeably, when interacting with the site, the (R)-9-enantiomer is more stable than the (S) one. Thus, in this study, (R)- and (S)-9-HSA were synthesized and their biological activity tested in HT29 cells. At the concentration of 50 M (R)-9-HSA showed a stronger antiproliferative effect than the (S) isomer, as indicated by the growth arrest in G0/G1. The inhibitory effect of (S)-9-HSA on HDAC1, HDAC2 and HDAC3 activity was less effective than that of the (R)-9-HSA in vitro, and the inhibitory activity of both the (R)- and the (S)-9-HSA isomer, was higher on HDAC1 compared to HDAC2 and HDAC3, thus demonstrating the stereospecific and selective interaction of 9-HSA with HDAC1. In addition, histone hyperacetylation caused by 9-HSA treatment was examined by an innovative HPLC/ESI/MS method. Analysis on histones isolated from control and treated HT29 confirmed the higher potency of (R)-9-HSA compared to (S)-9-HSA, severely affecting H2A-2 and H4 acetylation. On the other side, it seemed of interest to determine whether the G0/G1 arrest of HT29 cell proliferation could be bypassed by the stimulation with the growth factor EGF. Our results showed that 9-HSA-treated cells were not only prevented from proliferating, but also showed a decreased [3H]thymidine incorporation after EGF stimulation. In this condition, HT29 cells expressed very low levels of cyclin D1, that didn’t colocalize with HDAC1. These results suggested that the cyclin D1/HDAC1 complex is required for proliferation. Furthermore, in the effort of understanding the possible mechanisms of this effect, we have analyzed the degree of internalization of the EGF/EGFR complex and its interactions with HDAC1. EGF/EGFR/HDAC1 complex quantitatively increases in 9-HSA-treated cells but not in serum starved cells after EGF stimulation. Our data suggested that 9-HSA interaction with the catalytic site of the HDAC1 disrupts the HDAC1/cyclin D1 complex and favors EGF/EGFR recruitment by HDAC1, thus enhancing 9-HSA antiproliferative effects. In conclusion 9-HSA is a promising HDAC inhibitor with high selectivity and specificity, capable of inducing cell cycle arrest and histone hyperacetylation, but also able to modulate HDAC1 protein interaction. All these aspects may contribute to the potency of this new antitumor agent.

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.

Doxorubicina coniugata alla albumina umana lattosaminata: azione antineoplastica sui carcinomi epatocellulari indotti nel ratto dalla dietilnitrosammina

The experiments described in the thesis for my PhD were addressed to the study of the anticancer activity of a conjugate of doxorubicin (DOXO) with lactosaminated human albumin (L-HSA) on hepatocellular carcinomas (HCCs) induced in rats by diethylnitrosamine. L-HSA is a neoglycoprotein exposing galactosyl residues. The conjugate was prepared to improve the chemo therapeutic index of DOXO in the treatment of the well differentiated (WD) HCCs whose cells mantain the receptor for galactosyl terminating glycoproteins and consequently can actively internalize L-HSA. In my first experiments I found that L-HSA coupled DOXO produced concentrations of DOXO higher than those raised by an equal dose of free drug, not only in WD HCCs, but also in the poorly differentiated forms (PD) of these tumors which do no express the receptor for galactosyl terminating glycoproteins. Subsequently I provided evidence that penetration of L-HSA-DOXO in PD HCCs was due to a non-specific adsorption mediated by the DOXO residues of the conjugate which interact with the cell surface mainly because at physiological pH they are positively charged and bind to anionic phospholipids of the cell membrane. In subsequent experiments, by ultrasound technique, I studied the action of free and L-HSA coupled DOXO on the growth of rat HCCs. I found that L-HSA coupled DOXO hindered the development of new neoplastic nodules and inhibited the growth of the established tumors. In contrast, the free drug neither inhibited the development of HCCs nor prevented the growth of the established tumors. Moreover, the free drug produced a severe loss of weight of rats, a sign of severe toxicity, which was not caused by the conjugate. In conclusion assuming that the results obtained in rats can be applied to patients, the results of my thesis suggest that the conjugate by increasing the efficacy and tolerability of DOXO could improve the value of this drug in the treatment of human HCCs.

Multimethodological study of molecular recognition phenomena

The study of the bio-recognition phenomena behind a biological process is nowadays considered a useful tool to deeply understand physiological mechanisms allowing the discovery of novel biological target and the development of new lead candidates. Moreover, understanding this kind of phenomena can be helpful in characterizing absorption, distribution, metabolism, elimination and toxicity properties of a new drug (ADMET parameters). Recent estimations show that about half of all drugs in development fail to make it to the market because of ADMET deficiencies; thus a rapid determination of ADMET parameters in early stages of drug discovery would save money and time, allowing to choose the better compound and to eliminate any losers. The monitoring of drug binding to plasma proteins is becoming essential in the field of drug discovery to characterize the drug distribution in human body. Human serum albumin (HSA) is the most abundant protein in plasma playing a fundamental role in the transport of drugs, metabolites and endogenous factors; so the study of the binding mechanism to HSA has become crucial to the early characterization of the pharmacokinetic profile of new potential leads. Furthermore, most of the distribution experiments carried out in vivo are performed on animals. Hence it is interesting to determine the binding of new compounds to albumins from different species to evaluate the reliability of extrapolating the distribution data obtained in animals to humans. It is clear how the characterization of interactions between proteins and drugs determines a growing need of methodologies to study any specific molecular event. A wide variety of biochemical techniques have been applied to this purpose. High-performance liquid affinity chromatography, circular dichroism and optical biosensor represent three techniques that can be able to elucidate the interaction of a new drug with its target and with others proteins that could interfere with ADMET parameters.

Role of (R)-9-hydroxystearic acid in zebrafish development

9-hydroxystearic acid (9-HSA) belongs to a class of lipid peroxidation products identified in several human and murine cell lines. These products are greatly diminished in tumors compared to normal tissues and their amount is inversely correlated with the malignancy of the tumor. 9-HSA activity has been tested in cancer cell lines, where it showed to act as a histone deacetylase 1 (HDAC1) inhibitor. In particular, in a colon cancer cell line (HT29), its administration resulted in an inhibition of proliferation together with an induction of differentiation. In this thesis the effect of (R)-9-hydroxystearic acid has been tested in vivo on cell proliferation and differentiation processes, in the early stages of zebrafish development. The final aim of this work was to elucidate the role of (R)-9-HSA in the control of cell differentiation and proliferation during normal development, in order to better understand its molecular control of cancerogenesis. The molecule has been administered via injection in the yolk of zebrafish embryos. The analysis of the histone acetylation pattern showed a hyperacetilation of histone H4 after treatment with the molecule, as detectable in HDAC1 mutants. (R)-9-HSA was also demonstrated to interfere with the signaling pathways that regulate proliferation and differentiation in zebrafish retina and hindbrain. This resulted in a reduction of proliferation in the hindbrain at 24 hours post injection (hpi), and in a hyperproliferation at 48 and 72 hpi in the retina, with a concomitant inhibition of differentiation. Finally, (R)-9-HSA effects were evident on proliferation of stem cell located in the ciliary marginal zone (CMZ) of the retina. The presence of ROS and 4-hydroxynoneal in the CMZ of wild-type embryos supports the hypothesis that oxidative stress could regulate stem cells fate in zebrafish retina.