Caratterizzazione mediante HPLC-MS di modifiche post-trasduzionali di proteine istoniche

Gli istoni sono proteine basiche che possono essere classificate in varie classi: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Queste proteine formano l’ottamero proteico attorno al quale si avvolge il DNA per formare il nucleosoma che è l’unità fondamentale della cromatina. A livello delle code N-terminali, gli istoni possono essere soggetti a numerose modifiche posttraduzionali quali acetilazioni, metilazioni, fosforilazioni, ADP-ribosilazioni e ubiquitinazioni. Queste modifiche portano alla formazione di diversi siti di riconoscimento per diversi complessi enzimatici coinvolti in importanti processi come la riparazione e la replicazione del DNA e l’assemblaggio della cromatina. La più importante e la più studiata di queste modifiche è l’acetilazione che avviene a livello dei residui amminici della catena laterale dell’amminoacido lisina. I livelli corretti di acetilazione delle proteine istoniche sono mantenuti dall’attività combinata di due enzimi: istone acetil transferasi (HAT) e istone deacetilasi (HDAC). Gli enzimi appartenenti a questa famiglia possono essere suddivisi in varie classi a seconda delle loro diverse caratteristiche, quali la localizzazione cellulare, la dimensione, l’omologia strutturale e il meccanismo d’azione. Recentemente è stato osservato che livelli aberranti di HDAC sono coinvolti nella carcinogenesi; per questo motivo numerosi gruppi di ricerca sono interessati alla progettazione e alla sintesi di composti che siano in grado di inibire questa classe enzimatica. L’inibizione delle HDAC può infatti provocare arresto della crescita cellulare, apoptosi o morte cellulare. Per questo motivo la ricerca farmaceutica in campo antitumorale è mirata alla sintesi di inibitori selettivi verso le diverse classi di HDAC per sviluppare farmaci meno tossici e per cercare di comprendere con maggiore chiarezza il ruolo biologico di questi enzimi. Il potenziale antitumorale degli inibitori delle HDAC deriva infatti dalla loro capacità di interferire con diversi processi cellulari, generalmente non più controllati nelle cellule neoplastiche. Nella maggior parte dei casi l’attività antitumorale risiede nella capacità di attivare programmi di differenziamento, di inibire la progressione del ciclo cellulare e di indurre apoptosi. Inoltre sembra essere molto importante anche la capacità di attivare la risposta immunitaria e l’inibizione dell’angiogenesi. Gli inibitori delle HDAC possono essere a loro volta classificati in base alla struttura chimica, alla loro origine (naturale o sintetica), e alla loro capacità di inibire selettivamente le HDAC appartenenti a classi diverse. Non è ancora chiaro se la selettività di queste molecole verso una specifica classe di HDAC sia importante per ottenere un effetto antitumorale, ma sicuramente inibitori selettivi possono essere molto utili per investigare e chiarire il ruolo delle HDAC nei processi cellulari che portano all’insorgenza del tumore. Nel primo capitolo di questa tesi quindi è riportata un’introduzione sull’importanza delle proteine istoniche non solo da un punto di vista strutturale ma anche funzionale per il destino cellulare. Nel secondo capitolo è riportato lo stato dell’arte dell’analisi delle proteine istoniche che comprende sia i metodi tradizionali come il microsequenziamento e l’utilizzo di anticorpi, sia metodi più innovativi (RP-LC, HILIC, HPCE) ideati per poter essere accoppiati ad analisi mediante spettrometria di massa. Questa tecnica consente infatti di ottenere importanti e precise informazioni che possono aiutare sia a identificare gli istoni come proteine che a individuare i siti coinvolti nelle modifiche post-traduzionali. Nel capitolo 3 è riportata la prima parte del lavoro sperimentale di questa tesi volto alla caratterizzazione delle proteine istoniche mediante tecniche cromatografiche accoppiate alla spettrometria di massa. Nella prima fase del lavoro è stato messo a punto un nuovo metodo cromatografico HPLC che ha consentito di ottenere una buona separazione, alla linea di base, delle otto classi istoniche (H1-1, H1-2, H2A-1, H2A-2, H2B, H3-1, H3-2 e H4). La separazione HPLC delle proteine istoniche ha permesso di poter eseguire analisi accurate di spettrometria di massa mediante accoppiamento con un analizzatore a trappola ionica tramite la sorgente electrospray (ESI). E’ stato così possibile identificare e quantificare tutte le isoforme istoniche, che differiscono per il tipo e il numero di modifiche post-traduzionali alle quali sono soggette, previa estrazione da colture cellulari di HT29 (cancro del colon). Un’analisi così dettagliata delle isoforme non può essere ottenuta con i metodi immunologici e permette di eseguire un’indagine molto accurata delle modifiche delle proteine istoniche correlandole ai diversi stadi della progressione del ciclo e alla morte cellulare. Il metodo messo a punto è stato convalidato mediante analisi comparative che prevedono la stessa separazione cromatografica ma accoppiata a uno spettrometro di massa avente sorgente ESI e analizzatore Q-TOF, dotato di maggiore sensibilità e risoluzione. Successivamente, per identificare quali sono gli specifici amminoacidi coinvolti nelle diverse modifiche post-traduzionali, l’istone H4 è stato sottoposto a digestione enzimatica e successiva analisi mediante tecniche MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS. Queste analisi hanno permesso di identificare le specifiche lisine acetilate della coda N-terminale e la sequenza temporale di acetilazione delle lisine stesse. Nel quarto capitolo sono invece riportati gli studi di inibizione, mirati a caratterizzare le modifiche a carico delle proteine istoniche indotte da inibitori delle HDAC, dotati di diverso profilo di potenza e selettività. Dapprima Il metodo messo a punto per l’analisi delle proteine istoniche è stato applicato all’analisi di istoni estratti da cellule HT29 trattate con due noti inibitori delle HDAC, valproato e butirrato, somministrati alle cellule a dosi diverse, che corrispondono alle dosi con cui sono stati testati in vivo, per convalidare il metodo per studi di inibizione di composti incogniti. Successivamente, lo studio è proseguito con lo scopo di evidenziare effetti legati alla diversa potenza e selettività degli inibitori. Le cellule sono state trattate con due inibitori più potenti, SAHA e MS275, alla stessa concentrazione. In entrambi i casi il metodo messo a punto ha permesso di evidenziare l’aumento dei livelli di acetilazione indotto dal trattamento con gli inibitori; ha inoltre messo in luce differenti livelli di acetilazione. Ad esempio il SAHA, potente inibitore di tutte le classi di HDAC, ha prodotto un’estesa iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MS275 selettivo per la classe I di HDAC, ha prodotto modifiche molto più blande. E’ stato quindi deciso di applicare questo metodo per studiare la dose e la tempo-dipendenza dell’effetto di quattro diversi inibitori delle HDAC (SAHA, MS275, MC1855 e MC1568) sulle modifiche post-traduzionali di istoni estratti da cellule HT29. Questi inibitori differiscono oltre che per la struttura chimica anche per il profilo di selettività nei confronti delle HDAC appartenenti alle diverse classi. Sono stati condotti quindi studi di dose-dipendenza che hanno consentito di ottenere i valori di IC50 (concentrazione capace di ridurre della metà la quantità relativa dell’istone meno acetilato) caratteristici per ogni inibitore nei confronti di tutte le classi istoniche. E’ stata inoltre calcolata la percentuale massima di inibizione per ogni inibitore. Infine sono stati eseguiti studi di tempo-dipendenza. I risultati ottenuti da questi studi hanno permesso di correlare i livelli di acetilazione delle varie classi istoniche con la selettività d’azione e la struttura chimica degli inibitori somministrati alle cellule. In particolare, SAHA e MC1855, inibitori delle HDAC di classi I e II a struttura idrossamica, hanno causato l’iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MC1568 (inibitore selettivo per HDAC di classe II) ha prodotto l’iperacetilazione solo di H4. Inoltre la potenza e la selettività degli inibitori nel provocare un aumento dei livelli di acetilazione a livello delle distinte classi istoniche è stata correlata al destino biologico della cellula, tramite studi di vitalità cellulare. E’ stato osservato che il SAHA e MC1855, inibitori potenti e non selettivi, somministrati alla coltura HT29 a dose 50 μM producono morte cellulare, mentre MS275 alla stessa dose produce accumulo citostatico in G1/G0. MC1568, invece, non produce effetti significatici sul ciclo cellulare. Questo studio ha perciò dimostrato che l’analisi tramite HPLC-ESI-MS delle proteine istoniche permette di caratterizzare finemente la potenza e la selettività di nuovi composti inibitori delle HDAC, prevedendone l’effetto sul ciclo cellulare. In maggiore dettaglio è risultato che l’iperacetilazione di H4 non è in grado di provocare modifiche significative sul ciclo cellulare. Questo metodo, insieme alle analisi MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS che permettono di individuare l’ordine di acetilazione delle lisine della coda N-terminale, potrà fornire importanti informazioni sugli inibitori delle HDAC e potrà essere applicato per delineare la potenza, la selettività e il meccanismo di azione di nuovi potenziali inibitori di questa classe enzimatica in colture cellulari tumorali.

Sviluppo di tecniche di analisi ifenate per la quantificazione di biomarcatori di esposizione a tossici ambientali: gli acidi mercapturici

Human biomonitoring (HBM) is an ideal tool for evaluating toxicant exposure in health risk assessment. Chemical substances or their metabolites related to environmental pollutants can be detected as biomarkers of exposure using a wide variety of biological fluids. Individual exposure to aromatic hydrocarbon compounds (benzene, toluene, and o-xylene –“BTX”) were analysed with a liquid chromatography coupled to electrospray ionisation-mass spectrometry (μHPLC-ESI-MS/MS) method for the simultaneous quantitative detection of the BTX exposure biomarker SPMA, SBMA and o-MBMA in human urine. Urinary S-phenylmercapturic acid (SPMA) is a biomarker proposed by the American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) for assessing occupational exposure to benzene (Biological Exposure Index of 25 microg/g creatinine). Urinary S-benzylmercapturic (SBMA) and o-methyl S-benzyl mercapturic acid (o-MBMA) are specific toluene and o-xylene metabolites of glutathione detoxicant pathways, proposed as reliable biomarkers of exposure. To this aim a pre-treatment of the urine with solid phase extraction (SPE) and an evaporation step were necessary to concentrate the mercapturic acids before instrumental analysis. A liquid chromatography separation was carried out with a reversed phase capillary column (Synergi 4u Max-RP) using a binary gradient composed of an acquous solution of formic acid 0.07% v/v and methanol. The mercapturic acids were determinated by negative-ion-mass spectrometry and the data were corrected using isotope-labelled analogs as internal standards. The analytical method follows U.S. Food and Drug Administration guidance and was applied to assess exposure to BTX in a group of 396 traffic wardens. The association between biomarker results and individual factors, such as age, sex and tobacco smoke were also investigated. The present work also included improvements in the methods used by modifying various chromatographic parameters and experimental procedures. A partial validation was conducted to evaluate LOD, precision, accuracy, recovery as well as matrix effects. Higher sensitivity will be possible in future biological monitoring programmes, allowing evaluation of very low level of BTX human exposure. Keywords: Human biomonitoring, aromatic hydrocarbons, biomarker of exposure, HPLC-MS/MS.

Functional components and lipid quality assessment in vegetable foods: analytical and technological approaches

Lipids are important components that contribute very significantly to nutritional and technological quality of foods because they are the least stable macro-components in foods, due to high susceptibility to oxidation. When rancidity take place, it makes food unhealthy and unacceptable for consumers. Thus, the presence of antioxidants, naturally present of added to foods, is required to enhance shelf life of foods. Moreover, antioxidant like phenolic compounds play an important role in human health enhancing the functionality of foods. The aim of this PhD project was the study of lipid quality and lipid oxidation in different vegetable foods focusing on analytical and technological aspects in order to figure out the effects of lipid composition and bioactive compounds (phenolic compounds, omega-3 fatty acids and dietary fiber) addition on their shelf life. In addition, bioavailability and antioxidant effects of phenolic compounds in human and animals, respectively, were evaluated after consumption of vegetable foods. The first section of the work was focused on the evaluation of lipid quality impact on technological behaviour of vegetable foods. Because of that, cocoa butter with different melting point were evaluated by chromatographic techniques (GC, TLC) and the sample with the higher melting point showed the presence of fatty acids, triglycerides, 2-monoglycerides and FT-IR profile different from genuine cocoa butter, meaning an adding of foreign fat (lauric-fat) not allowed by the law. Looking at lipid quality of other vegetable foods, an accelerated shelf life test (OXITEST®), was used to evaluate of lipid stability to oxidation in tarallini snacks made up using different lipid matrices (sunflower oil, extravirgin olive oil and a blend of extravirgin olive oil and lard). The results showed a good ability of OXITEST® to discriminate between lipid unsaturation and different cooking times, without any samples fat extraction. In the second section, the role of bioactive compounds on cereal based food shelf life was studied in different bakeries by GC, spectrophotometric methods and capillary electrophoresis. It was examined the relationships between phenolic compounds, added with flour, and lipid oxidation of tarallini and frollini. Both products showed an increase in lipid oxidation during storage and antioxidant effects on lipid oxidation were not as expected. Furthermore, the influence of enrichment in polyunsaturated fatty acids on lipid oxidation of pasta was evaluated. The results proved that LC n-3 PUFA were not significantly implicated in the onset of oxidation in spaghetti stored under daylight and accelerated oxidation in a laboratory heater. The importance of phenolic compounds as antioxidant in humans and rats was also studied, by HPLC/MS in the latter section. For this purpose, apigenin and apigenin glycosides excretion was investigated in six women’s urine in a 24 hours study. After a single dose of steamed artichokes, both aglicone and glucuronide metabolites were recovered in 24 h urine. Moreover, the effect of whole grain durum wheat bread and whole grain Kamut® khorasan bread in rats were evaluated. Both cereals were good sources of antioxidants but Kamut® bread fed animals had a better response to stress than wheat durum fed, especially when a sourdough bread was supplied.

Fusarium species responsible for mycotoxin production in wheat crop: involvement in food safety

Fusarium Head Blight (FHB) is a worldwide cereal disease responsible of significant yield reduction, inferior grain quality, and mycotoxin accumulation. Fusarium graminearum and F. culmorum are the prevalent causal agents. FHB has been endemic in Italy since 1995, while there are no records about its presence in Syria. Forty-eight and forty-six wheat kernel samples were collected from different localities and analyzed for fungal presence and mycotoxin contamination. Fusarium strains were identified morphologically but the molecular confirmation was performed only for some species. Further differentiation of the chemotypes for trichothecene synthesis by F. graminearum and F. culmorum strains was conducted by PCR assays. Fusarium spp. were present in 62.5% of Syrian samples. 3Acetyl-Deoxynivalenol and nivalenol chemotypes were found in F. culmorum whilst all F. graminearum strains belonged to NIV chemotype. Italian samples were infected with Fusarium spp for 67.4%. 15Ac-DON was the prevalent chemotype in F. graminearum, while 3Ac-DON chemotype was detected in F. culmorum. The 60 Syrian Fusarium strains tested for mycotoxin production by HPLC-MS/MS have shown the prevalence of zearalenone while the emerging mycotoxins were almost absent. The analysis of the different Syrian and Italian samples of wheat kernels for their mycotoxin content showed that Syrian kernels were mainly contaminated with storage mycotoxins, aflatoxins and ochratoxin whilst Italian grains with mainly Fusarium mycotoxins. The aggressiveness of several Syrian F. culmorum isolates was estimated using three different assays: floret inoculation in growth chamber, ear inoculation in the field and a validated new Petri-dish test. The study of the behaviour of different Syrian wheat cultivars, grown under different conditions, has revealed that Jory is a FHB Syrian tolerant cultivar. This is the first study in Syria on Fusarium spp. associated to FHB, Fusarium mycotoxin producers and grain quality.

Ricerca di contaminanti in tessuti animali e in alimenti destinati all'uomo.

La contaminazione chimica rappresenta uno dei rischi principali per la sicurezza alimentare e può arrecare anche gravi danni alla salute umana. Rientrano in questa tesi di dottorato tre famiglie di contaminanti: Micotossine, Metalli e Insetticidi. La ricerca di aflatossina B1 è stata effettuata su 90 confezioni di farina, sia biologici sia convenzionali. La presenza della micotossina è stata rilevata solo nelle farine di mais. Solo un campione di produzione convenzionale ha superato il limite di 2 ppb definito per legge. Il dato di maggior rilievo è stato che il quantitativo di 5 grammi di campionamento si è dimostrato non rappresentativo sul totale della confezione commerciale di farina. Più attendibile si è invece dimostrato un campionamento di 20 grammi. L’aflatossina M1 è stata ricercata in 58 campioni di latte di cui 35 sono risultati positivi. Tuttavia, i livelli riscontrati erano costantemente inferiori al limite previsto per legge. Sono stati sottoposti a estrazione e purificazione, e analizzati con metodica HPLC-FL per la ricerca di Ocratossina A, 114 campioni di bile, 35 campioni di plasma, 40 campioni di rene prelevati da polli in Giordania. Le analisi hanno fornito risultati costantemente negativi. Sono stati analizzati 72 campioni (30 di muscolo, 29 di fegato e 13 di rene) prelevati da 30 bovini nel macello di Irbid (Giordania), di età compresa tra 8 e 30 mesi e provenienti da allevamenti diversi, per la ricerca di 13 elementi essenziali e non essenziali. In questo studio nessun campione supera i livelli massimi stabiliti dalla normativa europea per quanto riguarda gli elementi considerati. Infine, sono stati analizzati 37 campioni di latte ovino e 31 campioni di latte bovino, prelevati in Giordania in diversi allevamenti, per la ricerca di 4 neonicotinoidi (imidacloprid, acetamiprid, thiamethoxam e thiacloprid). I campioni, analizzati con sistema HPLC/MS/MS, sono risultati costantemente negativi ai quattro neonicotinoidi ricercati.

Synthesis of new bioactive β-lactam compounds

New biologically active β-lactams were designed and synthesized, developing novel antibiotics and enzymatic inhibitors directed toward specific targets. Within a work directed to the synthesis of mimetics for RGD (Arg-Gly-Asp) sequence able to interact with αvβ3 and α5β1-type integrins, new activators were developed and their Structure-Activity Relationships (SAR) analysis deepened, enhancing their activity range towards the α4β1 isoform. Moreover, to synthesize novel compounds active both against bacterial infections and pulmonary conditions of cystic fibrosis patients, new β-lactam candidates were studied. Among the abundant library of β-lactams prepared, mainly with antioxidant and antibacterial double activities, it was identified a single lead to be pharmacologically tested in vivo. Its synthesis was optimized up to the gram-scale, and pretreatment method and HPLC-MS/MS analytical protocol for sub-nanomolar quantifications were developed. Furthermore, replacement of acetoxy group in 4-acetoxy-azetidinone derivatives was studied with different nucleophiles and in aqueous media. A phosphate group was introduced and the reactivity exploited using different hydroxyapatites, obtaining biomaterials with multiple biological activities. Following the same kind of reactivity, a small series of molecules with a β-lactam and retinoic hybrid structure was synthesized as epigenetic regulators. Interacting with HDACs, two compounds were respectively identified as an inhibitor of cell proliferation and a differentiating agent on steam cells. Additionally, in collaboration with Professor L. De Cola at ISIS, University of Strasbourg, some new photochemically active β-lactam Pt (II) complexes were designed and synthesized to be used as bioprobes or theranostics. Finally, it was set up and optimized the preparation of new chiral proline-derived α-aminonitriles through an enantioselective Strecker reaction, and it was developed a chemo-enzymatic oxidative method for converting alcohols to aldehydes or acid in a selective manner, and amines to relative aldehydes, amides or imines. Moreover, enzymes and other green chemistry methodologies were used to prepare Active Pharmaceutical Ingredients (APIs).

Semi-synthetic bile acids as novel drug candidate in liver diseases: physico-chemical characterization and HPLC-ES-MS/MS methods for their quali-quantitative analysis in different experimental animal models

The physico-chemical characterization, structure-pharmacokinetic and metabolism studies of new semi synthetic analogues of natural bile acids (BAs) drug candidates have been performed. Recent studies discovered a role of BAs as agonists of FXR and TGR5 receptor, thus opening new therapeutic target for the treatment of liver diseases or metabolic disorders. Up to twenty new semisynthetic analogues have been synthesized and studied in order to find promising novel drugs candidates. In order to define the BAs structure-activity relationship, their main physico-chemical properties (solubility, detergency, lipophilicity and affinity with serum albumin) have been measured with validated analytical methodologies. Their metabolism and biodistribution has been studied in “bile fistula rat”, model where each BA is acutely administered through duodenal and femoral infusion and bile collected at different time interval allowing to define the relationship between structure and intestinal absorption and hepatic uptake ,metabolism and systemic spill-over. One of the studied analogues, 6α-ethyl-3α7α-dihydroxy-5β-cholanic acid, analogue of CDCA (INT 747, Obeticholic Acid (OCA)), recently under approval for the treatment of cholestatic liver diseases, requires additional studies to ensure its safety and lack of toxicity when administered to patients with a strong liver impairment. For this purpose, CCl4 inhalation to rat causing hepatic decompensation (cirrhosis) animal model has been developed and used to define the difference of OCA biodistribution in respect to control animals trying to define whether peripheral tissues might be also exposed as a result of toxic plasma levels of OCA, evaluating also the endogenous BAs biodistribution. An accurate and sensitive HPLC-ES-MS/MS method is developed to identify and quantify all BAs in biological matrices (bile, plasma, urine, liver, kidney, intestinal content and tissue) for which a sample pretreatment have been optimized.