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.

Parameter estimation in a growth model for a biological population

The motivating problem concerns the estimation of the growth curve of solitary corals that follow the nonlinear Von Bertalanffy Growth Function (VBGF). The most common parameterization of the VBGF for corals is based on two parameters: the ultimate length L∞ and the growth rate k. One aim was to find a more reliable method for estimating these parameters, which can capture the influence of environmental covariates. The main issue with current methods is that they force the linearization of VBGF and neglect intra-individual variability. The idea was to use the hierarchical nonlinear model which has the appealing features of taking into account the influence of collection sites, possible intra-site measurement correlation and variance heterogeneity, and that can handle the influence of environmental factors and all the reliable information that might influence coral growth. This method was used on two databases of different solitary corals i.e. Balanophyllia europaea and Leptopsammia pruvoti, collected in six different sites in different environmental conditions, which introduced a decisive improvement in the results. Nevertheless, the theory of the energy balance in growth ascertains the linear correlation of the two parameters and the independence of the ultimate length L∞ from the influence of environmental covariates, so a further aim of the thesis was to propose a new parameterization based on the ultimate length and parameter c which explicitly describes the part of growth ascribable to site-specific conditions such as environmental factors. We explored the possibility of estimating these parameters characterizing the VBGF new parameterization via the nonlinear hierarchical model. Again there was a general improvement with respect to traditional methods. The results of the two parameterizations were similar, although a very slight improvement was observed in the new one. This is, nevertheless, more suitable from a theoretical point of view when considering environmental covariates.

Solubility, diffusivity and permeability of gases in glassy polymers

Gas separation membranes of high CO2 permeability and selectivity have great potential in both natural gas sweetening and carbon dioxide capture. Many modified PIM membranes results permselectivity above Robinson upper bound. The big problem that should be solved for these polymers to be commercialized is their aging through time. In high glassy polymeric membrane such as PIM-1 and its modifications, solubility selectivity has more contribution towards permselectivity than diffusivity selectivity. So in this thesis work pure and mixed gas sorption behavior of carbon dioxide and methane in three PIM-based membranes (PIM-1, TZPIM-1 and AO-PIM-1) and Polynonene membrane is rigorously studied. Sorption experiment is performed at different temperatures and molar fraction. Sorption isotherms found from the experiment shows that there is a decrease of solubility as the temperature of the experiment increases for both gases in all polymers. There is also a decrease of solubility due to the presence of the other gas in the system in the mixed gas experiments due to competitive sorption effect. Variation of solubility is more visible in methane sorption than carbon dioxide, which will make the mixed gas solubility selectivity higher than that of pure gas solubility selectivity. Modeling of the system using NELF and Dual mode sorption model estimates the experimental results correctly Sorption of gases in heat treated and untreated membranes show that the sorption isotherms don’t vary due to the application of heat treatment for both carbon dioxide and methane. But there is decrease in the diffusivity coefficient and permeability of pure gases due to heat treatment. Both diffusivity coefficient and permeability decreases with increasing of heat treatment temperature. Diffusivity coefficient calculated from transient sorption experiment and steady state permeability experiment is also compared in this thesis work. The results reveal that transient diffusivity coefficient is higher than steady state diffusivity selectivity.

NLGA based Active Control in Aerospace: fault tolerability, disturbance rejection, and parameter estimation

A new control scheme has been presented in this thesis. Based on the NonLinear Geometric Approach, the proposed Active Control System represents a new way to see the reconfigurable controllers for aerospace applications. The presence of the Diagnosis module (providing the estimation of generic signals which, based on the case, can be faults, disturbances or system parameters), mean feature of the depicted Active Control System, is a characteristic shared by three well known control systems: the Active Fault Tolerant Controls, the Indirect Adaptive Controls and the Active Disturbance Rejection Controls. The standard NonLinear Geometric Approach (NLGA) has been accurately investigated and than improved to extend its applicability to more complex models. The standard NLGA procedure has been modified to take account of feasible and estimable sets of unknown signals. Furthermore the application of the Singular Perturbations approximation has led to the solution of Detection and Isolation problems in scenarios too complex to be solved by the standard NLGA. Also the estimation process has been improved, where multiple redundant measuremtent are available, by the introduction of a new algorithm, here called "Least Squares - Sliding Mode". It guarantees optimality, in the sense of the least squares, and finite estimation time, in the sense of the sliding mode. The Active Control System concept has been formalized in two controller: a nonlinear backstepping controller and a nonlinear composite controller. Particularly interesting is the integration, in the controller design, of the estimations coming from the Diagnosis module. Stability proofs are provided for both the control schemes. Finally, different applications in aerospace have been provided to show the applicability and the effectiveness of the proposed NLGA-based Active Control System.

Enhancing predictive capability of models for solubility and permeability in polymers and composites

The interpretation of phase equilibrium and mass transport phenomena in gas/solvent - polymer system at molten or glassy state is relevant in many industrial applications. Among tools available for the prediction of thermodynamics properties in these systems, at molten/rubbery state, is the group contribution lattice-fluid equation of state (GCLF-EoS), developed by Lee and Danner and ultimately based on Panayiotou and Vera LF theory. On the other side, a thermodynamic approach namely non-equilibrium lattice-fluid (NELF) was proposed by Doghieri and Sarti to consistently extend the description of thermodynamic properties of solute polymer systems obtained through a suitable equilibrium model to the case of non-equilibrium conditions below the glass transition temperature. The first objective of this work is to investigate the phase behaviour in solvent/polymer at glassy state by using NELF model and to develop a predictive tool for gas or vapor solubility that could be applied in several different applications: membrane gas separation, barrier materials for food packaging, polymer-based gas sensors and drug delivery devices. Within the efforts to develop a predictive tool of this kind, a revision of the group contribution method developed by High and Danner for the application of LF model by Panayiotou and Vera is considered, with reference to possible alternatives for the mixing rule for characteristic interaction energy between segments. The work also devotes efforts to the analysis of gas permeability in polymer composite materials as formed by a polymer matrix in which domains are dispersed of a second phase and attention is focused on relation for deviation from Maxwell law as function of arrangement, shape of dispersed domains and loading.

Inside standard and hyperspectral low-dose CT variational imaging: parameter identification and material decomposition

The main contribution of this thesis is the proposal of novel strategies for the selection of parameters arising in variational models employed for the solution of inverse problems with data corrupted by Poisson noise. In light of the importance of using a significantly small dose of X-rays in Computed Tomography (CT), and its need of using advanced techniques to reconstruct the objects due to the high level of noise in the data, we will focus on parameter selection principles especially for low photon-counts, i.e. low dose Computed Tomography. For completeness, since such strategies can be adopted for various scenarios where the noise in the data typically follows a Poisson distribution, we will show their performance for other applications such as photography, astronomical and microscopy imaging. More specifically, in the first part of the thesis we will focus on low dose CT data corrupted only by Poisson noise by extending automatic selection strategies designed for Gaussian noise and improving the few existing ones for Poisson. The new approaches will show to outperform the state-of-the-art competitors especially in the low-counting regime. Moreover, we will propose to extend the best performing strategy to the hard task of multi-parameter selection showing promising results. Finally, in the last part of the thesis, we will introduce the problem of material decomposition for hyperspectral CT, which data encodes information of how different materials in the target attenuate X-rays in different ways according to the specific energy. We will conduct a preliminary comparative study to obtain accurate material decomposition starting from few noisy projection data.

Novel methods of state estimation and parameter identification for high-performance motorcycles

This research activity aims at providing a reliable estimation of particular state variables or parameters concerning the dynamics and performance optimization of a MotoGP-class motorcycle, integrating the classical model-based approach with new methodologies involving artificial intelligence. The first topic of the research focuses on the estimation of the thermal behavior of the MotoGP carbon braking system. Numerical tools are developed to assess the instantaneous surface temperature distribution in the motorcycle's front brake discs. Within this application other important brake parameters are identified using Kalman filters, such as the disc convection coefficient and the power distribution in the disc-pads contact region. Subsequently, a physical model of the brake is built to estimate the instantaneous braking torque. However, the results obtained with this approach are highly limited by the knowledge of the friction coefficient (μ) between the disc rotor and the pads. Since the value of μ is a highly nonlinear function of many variables (namely temperature, pressure and angular velocity of the disc), an analytical model for the friction coefficient estimation appears impractical to establish. To overcome this challenge, an innovative hybrid solution is implemented, combining the benefit of artificial intelligence (AI) with classical model-based approach. Indeed, the disc temperature estimated through the thermal model previously implemented is processed by a machine learning algorithm that outputs the actual value of the friction coefficient thus improving the braking torque computation performed by the physical model of the brake. Finally, the last topic of this research activity regards the development of an AI algorithm to estimate the current sideslip angle of the motorcycle's front tire. While a single-track motorcycle kinematic model and IMU accelerometer signals theoretically enable sideslip calculation, the presence of accelerometer noise leads to a significant drift over time. To address this issue, a long short-term memory (LSTM) network is implemented.