Studio e caratterizzazione di biosensori sviluppati su dispositivi inorganici ed organici

L’attività di dottorato qui descritta ha riguardato inizialmente lo sviluppo di biosensori elettrochimici semplificati per la rilevazione di DNA e successivamente lo studio di dispositivi organici ad effetto di campo per la stimolazione e il rilevamento dell’attività bioelettrica di cellule neuronali. Il lavoro di ricerca riguardante il prima parte è stato focalizzato sulla fabbricazione e sulla caratterizzazione di un biosensore a due elettrodi per la rilevazione di DNA solubile , facilmente producibile a livello industriale. Tale sensore infatti, è in grado di leggere livelli diversi di correnti faradiche sulle superfici in oro degli elettrodi, a discrezione di un eventuale ibridizzazione del DNA da analizzare su di esse. I risultati ottenuti riguardo a questo biosensore sono :la paragonabilità dello stesso con i sensori standard a tre elettrodi basati sulla medesima metodica, la possibilità di effettuare due misure in parallelo di uno stesso campione o di 2 diversi campioni su di uno stesso di dispositivo e la buona applicabilità della chimica superficiale a base di tale biosensore a superfici create con tecnologie industriali. Successivamente a tali studi, mi sono focalizzato sull’utilizzo di dispositivi organici ad effetto campo (in particolare OTFT) per lo sviluppo di un biosensore capace di stimolare e registrare l’attività bioelettrica di cellule neuronali. Inizialmente sono state identificate le caratteristiche del materiale organico utilizzato e successivamente del dispositivo fabbricato pre e post esposizione all’ambiente fisiologico. Poi, sono stati effettuati esperimenti per osservare la capacità di stimolare e di leggere i segnali elettrogenici da parte dell’OTFT. I risultati ottenuti da tali studi sono che: il materiale organico ed il dispositivo mantengo le loro caratteristiche morfologiche e funzionali dopo l’esposizione per giorni all’ambiente fisiologico. Inoltre l’OFET in grado di stimolare il cambiamento delle tensioni di membrana cellulari e contemporaneamente di registrare tali variazioni e le eventuali risposte cellulari provocate da esse.

Development of textile wearable chemical sensors

In this elaborate, a textile-based Organic Electrochemical Transistor (OECT) was first developed for the determination of uric acid in wound exudate based on the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), which was then coupled to an electrochemically gated textile transistor consisting of a composite of iridium oxide particles and PEDOT:PSS for pH monitoring in wound exudate. In that way a sensor for multiparameter monitoring of wound health status was assembled, including the ability to differentiate between a wet-dry status of the smart bandage by implementing impedance measurements exploiting the OECT architecture. Afterwards, for both wound management as well as generic health status tracking applications, a glass-based calcium sensor was developed employing polymeric ion-selective membranes on a novel architecture inspired by the Wrighton OECT configuration, which was later converted to a Proof-of-Concept textile prototype for wearable applications. Lastly, in collaboration with the King Abdullah University of Science and Technology (KAUST, Thuwal, Saudi Arabia) under the supervision of Prof. Sahika Inal, different types of ion-selective thiophene-based monomers were used to develop ion-selective conductive polymers to detect sodium ion by different methods, involving standard potentiometry and OECT-based approaches. The textile OECTs for uric acid detection performances were optimized by investigating the geometry effect on the instrumental response and the properties of the different textile materials involved in their production, with a special focus on the final application that implies the operativity in flow conditions to simulate the wound environment. The same testing route was followed for the multiparameter sensor and the calcium sensor prototype, with a particular care towards the ion-selective membrane composition and electrode conditioning protocol optimization. The sodium-selective polymer electrosynthesis was optimized in non-aqueous environments and was characterized by means of potentiostatic and potentiodynamic techniques coupled with Quartz Crystal Microbalance and spectrophotometric measurements.

Enzimi, acidi organici ed altri metaboliti coinvolti nella patogenesi di Penicillium spp

Blue mould caused by Penicillium expansum Link is one of the most destructive rot of pome fruit in all growing areas (Snowdon, 1990; Jones and Aldwinckle, 1991; Tonini,1996) In the past, Penicillium rot has been controlled by fungicide postharvest treatment mainly by thiabendazole (TBZ) and benomyl (Hardenburg and Spalding, 1972), but their intense use produced the appearance of resistant strains with a great reduction of their activity The aims of the present study were to characterize the isolates of Pencillium sp causing blue mold on pear in Italy by physiological and biochemical parameters. In particular differencing also the behavior of isolates to relationship with sensitivity or resistance to TBZ treatments. We have examined the early stage of infection in relation to enzyme activity, local modulation of pH, production of organic acids, and to secondary metabolism of pathogen. The results described here confirm that the majority of P. expansum isolates from pears packing houses are resistant to TBZ, Among the TBZ-resistant isolates scored in this work, different isolates (RR) showed higher percentage of conidial germination on TBZ-amended medium compared to non amended medium. This may indicate a stimulatory effect of TBZ on conidial germination. Therefore TBZ treatments are not only ineffective for controlling P. expansum, but they may also increase the severity of blue mould on fruits. In the absence of fungicide, isolates showed a significant difference for infection severity, R and RR isolates are characterized by higher pathogenic fitness on fruits, producing larger lesions than S isolates. These data are supported by the study with laboratory-induced resistant isolates, which shows the lack of correlation between TBZ resistance and osmotic sensitivity, and highlights the association between TBZ resistance and infection severity (Baraldi et al 2003). Enzymatic screening gave a positive reaction to esterase, urease, pectinase activity, in addition, the pathogen is able to synthesize a complex enzyme act to degrade the main components of the cell wall especially pectin and cellulose. Isolated sensitive and resistant are characterized by a good activity of pectinase, especially from poligactoronase, which, as already reported by several studies (D'hallewin et al, 2004; Prusky et al, 2004), are the basis of degradative process of cell wall. Also, although the measure was minor also highlighted some activities of cellulase, but even note in the production of this kind of cellulase and hemicellulase P. Expansum were not targeted, studies have found no other source of information in this regard. Twenty isolates of Penicillium expansum, were tested in vitro ad in vivo for acid production ability and pH drop. We have found that modulation of pH and the organic acids extrusion were influence to various parameter:  Initial pH: in general, the greatest reduction of pH was observed in isolates grown at pH 7, except for four isolates that maintained the pH of the medium close to 7, the others significantly decreased the pH, ranging from 5.5 to 4.1.. In extreme acid condition (pH 3,0) growth and modulation of pH is most lower respect optimal condition (pH 5,0). Also isolates R and RR have showed a greater adaptation to environmental condition more than isolates S.  Time: although the acidification continues for some days, PH modulation is strongest in early hours (48-72 hours)of inoculation process. Time also affects the quality of organic acids, for example in vitro results showed an initial abundant production of succinc acid, followed to important production of galacturoinc acid.  Substrates: there are many differences for the type of acids produced in vitro and in vivo. Results showed in vivo an abundant production of galacturonic, malic, and citric acids and some unknown organic acids in smaller concentrations. Secondary metabolite analysis revealed intra-specific differences, and patulin was found in all isolates, but most significant reduction was observed between in vitro and in vivo samples. There was no correlation between the concentration of patulin, and the percentage of infected fruits, but sample with a lower infection severity of rotten area than the others, showed a significantly lower mycotoxin concentration than samples with a higher lesion diameter of rotten area. Beyond of patulin was detected the presence of another secondary metabolite, penitrem A.

In situ real-time investigation of Organic Ultra-Thin-Film transistors: growth, electrical properties and biosensing applications

Organic electronics has grown enormously during the last decades driven by the encouraging results and the potentiality of these materials for allowing innovative applications, such as flexible-large-area displays, low-cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. Moreover, their possible field of applications reaches from medicine, biotechnology, process control and environmental monitoring to defense and security requirements. However, a large number of questions regarding the mechanism of device operation remain unanswered. Along the most significant is the charge carrier transport in organic semiconductors, which is not yet well understood. Other example is the correlation between the morphology and the electrical response. Even if it is recognized that growth mode plays a crucial role into the performance of devices, it has not been exhaustively investigated. The main goal of this thesis was the finding of a correlation between growth modes, electrical properties and morphology in organic thin-film transistors (OTFTs). In order to study the thickness dependence of electrical performance in organic ultra-thin-film transistors, we have designed and developed a home-built experimental setup for performing real-time electrical monitoring and post-growth in situ electrical characterization techniques. We have grown pentacene TFTs under high vacuum conditions, varying systematically the deposition rate at a fixed room temperature. The drain source current IDS and the gate source current IGS were monitored in real-time; while a complete post-growth in situ electrical characterization was carried out. At the end, an ex situ morphological investigation was performed by using the atomic force microscope (AFM). In this work, we present the correlation for pentacene TFTs between growth conditions, Debye length and morphology (through the correlation length parameter). We have demonstrated that there is a layered charge carriers distribution, which is strongly dependent of the growth mode (i.e. rate deposition for a fixed temperature), leading to a variation of the conduction channel from 2 to 7 monolayers (MLs). We conciliate earlier reported results that were apparently contradictory. Our results made evident the necessity of reconsidering the concept of Debye length in a layered low-dimensional device. Additionally, we introduce by the first time a breakthrough technique. This technique makes evident the percolation of the first MLs on pentacene TFTs by monitoring the IGS in real-time, correlating morphological phenomena with the device electrical response. The present thesis is organized in the following five chapters. Chapter 1 makes an introduction to the organic electronics, illustrating the operation principle of TFTs. Chapter 2 presents the organic growth from theoretical and experimental points of view. The second part of this chapter presents the electrical characterization of OTFTs and the typical performance of pentacene devices is shown. In addition, we introduce a correcting technique for the reconstruction of measurements hampered by leakage current. In chapter 3, we describe in details the design and operation of our innovative home-built experimental setup for performing real-time and in situ electrical measurements. Some preliminary results and the breakthrough technique for correlating morphological and electrical changes are presented. Chapter 4 meets the most important results obtained in real-time and in situ conditions, which correlate growth conditions, electrical properties and morphology of pentacene TFTs. In chapter 5 we describe applicative experiments where the electrical performance of pentacene TFTs has been investigated in ambient conditions, in contact to water or aqueous solutions and, finally, in the detection of DNA concentration as label-free sensor, within the biosensing framework.

Excitonic processes in multifunctional organic semiconductors for application in organic-light emitting transistor

In this thesis, I report on a comprehensive study about the photo-physical properties both in solution and in solid-state of a new thiophene based material (2,2’-(2,2’-bithiophene-5,5’-diyl)bis(5-butyl-5H-thieno[2,3-c]pyrrole-4,6)-dione (T4DIM) which shows an ambipolar semiconducting behavior together with electroluminescence in single-layer OLET device architecture[14

Electrochemistry of polycyclic aromatic molecules for advanced carbon nanostructures: luminescence and transistor applications

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a large class of π-conjugated organic molecules with fused aromatic rings, which can be considered as fragments of 2D-graphene and have been extensively studied for their unique optical and electronic properties. The aim of this study is to understand the complex electrochemical behaviour of planar, curved, and heteroatom doped polycyclic aromatic molecules, particularly focusing on the oxidative coupling of their radical cations and the electrochemically induced cyclodehydrogenation reactions. In the first part of this thesis, the class of PAHs and aromatic nanostructures are introduced, and the reactivity of electrogenerated species is discussed, focusing on the electrochemical approach for the synthesis of extended π-conjugated structures. Subsequently, the electrochemical properties and reactivity of electrogenerated radical ions of planar and curved polyaromatics are correlated to their structures. In the third chapter, electrochemical cyclodehydrogenation of hexaphenylbenzene is used to prepare self-assembled hexabenzocoronene, directly deposited on an interdigitated electrode, which was characterised as organic electrochemical transistor. In the fourth chapter, the electrochemical behaviour of a family of azapyrene derivatives has been carefully investigated together with the electrogenerated chemiluminescence (ECL), both by ion-annihilation and co-reactant methods. Two structural azapyrene isomers with different nitrogen positions are thoroughly discussed in terms of redox and ECL properties. Interestingly, the ECL of only one of them showed a double emission with excimer formation. A detailed mechanism is discussed for the ECL by co-reactant benzoyl peroxide, to rationalise the different ECL behaviours of the two isomers on the basis of their topologically modulated electronic properties. In conclusion, the different electrochemical behaviours of PAHs were shown, focussing on the chemical reactivity of the electrogenerated species and taking advantage of it for important processes spanning from unconventional synthesis methods for carbon nanostructures to the exploitation of self-assembled nanostructured systems in organic electronics, to novel organic emitters in ECL.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Interazioni piante-insetti mediate da semiochimici

Numerosi parassitoidi localizzano i propri ospiti sfruttando le miscele di composti volatili rilasciate dalle piante infestate, che sono segnali più facilmente reperibili nell’ambiente rispetto agli odori emessi dai soli fitofagi. Anche Diglyphus isaea (Walker), un ectoparassitoide paleartico impiegato nella lotta biologica contro vari fillominatori, localizza l’ospite Liriomyza trifolii (Burgess) (Diptera Agromyzidae) sfruttando gli odori emessi dal complesso pianta (Phaseolus vulgaris L.) – minatore (L. trifolii). L’obbiettivo di questa ricerca è stato di mettere a punto una procedura che consentisse di estrarre in vivo, da piante di fagiolo infestate da larve di L. trifolii, i composti volatili responsabili dell’attrazione del parassitoide D. isaea e permettesse di individuare i composti biologicamente attivi presenti nella miscela. A tal fine sono state messe a confronto due metodologie, ovvero la tecnica statica dell’SPME e quella dinamica dell’Air Entrainment, impiegate in ecologia chimica per identificare e quantificare i composti organici volatili da numerose matrici biologiche. Le miscele estratte dai campioni sono state sia analizzate al gascromatografo/spettrometro di massa, che saggiate all’olfattometro a Y. Alla luce dei risultati ottenuti, si può affermare che la tecnica dell’Air Entrainment si è rivelata più adatta al raggiungimento degli obbiettivi di questo studio. Grazie a questa metodologia infatti è stato possibile verificare l’attività biologica delle miscele estratte nei confronti di D. isaea e identificare i composti volatili imputabili, con buona probabilità, unicamente all’attività trofica del fillominatore. Si tratta principalmente di terpenoidi volatili, sostanze spesso indicate come importanti segnali utilizzati da predatori e parassitoidi per localizzare le proprie prede o i propri ospiti. Questi composti sono stati diluiti in etere e saggiati a tre diverse concentrazioni (1 ng; 10 ng; 100 ng) contro l’etere (controllo). L’analisi statistica delle differenze registrate nelle scelte definitive compiute da D. isaea, nel corso delle prove condotte con i composti puri (indolo; α-copaene; β-cariofillene; α-cariofillene; α-farnesene), ha messo in luce come questo parassitoide risulti attratto solo dall’α-cariofillene, mentre l’α-farnesene sembra avere nei confronti dell’eulofide un effetto repellente.

Le cardiomiopatie nell'infanzia: quadri eziologici ed evolutivi nei primi anni di vita

Premessa: nell’aprile 2006, l’American Heart Association ha approvato la nuova definizione e classificazione delle cardiomiopatie (B. J. Maron e coll. 2006), riconoscendole come un eterogeneo gruppo di malattie associate a disfunzione meccanica e/o elettrica riconducibili ad un ampia variabilità di cause. La distinzione tra le varie forme si basa non più sui processi etiopatogenetici che ne sono alla base, ma sulla modalità di presentazione clinica della malattia. Si distinguono così le forme primarie, a prevalente od esclusivo interessamento cardiaco, dalle forme secondarie in cui la cardiomiopatia rientra nell’ambito di un disordine sistemico dove sono evidenziabili anche disturbi extracardiaci. La nostra attenzione è, nel presente studio, focalizzata sull’analisi delle cardiomiopatie diagnosticate nei primi anni di vita in cui si registra una più alta incidenza di forme secondarie rispetto all’adulto, riservando un particolare riguardo verso quelle forme associate a disordini metabolici. Nello specifico, il nostro obiettivo è quello di sottolineare l’influenza di una diagnosi precoce sull’evoluzione della malattia. Materiali e metodi: abbiamo eseguito uno studio descrittivo in base ad un’analisi retrospettiva di tutti i pazienti giunti all’osservazione del Centro di Cardiologia e Cardiochirurgia Pediatrica e dell’ Età Evolutiva del Policlinico S. Orsola- Malpighi di Bologna, dal 1990 al 2006, con diagnosi di cardiomiopatia riscontrata nei primi due anni di vita. Complessivamente sono stati studiati 40 pazienti di cui 20 con cardiomiopatia ipertrofica, 18 con cardiomiopatia dilatativa e 2 con cardiomiopatia restrittiva con un’età media alla diagnosi di 4,5 mesi (range:0-24 mesi). Per i pazienti descritti a partire dal 2002, 23 in totale, sono state eseguite le seguenti indagini metaboliche: emogasanalisi, dosaggio della carnitina, metabolismo degli acidi grassi liberi (pre e post pasto), aminoacidemia quantitativa (pre e post pasto), acidi organici, mucopolisaccaridi ed oligosaccaridi urinari, acilcarnitine. Gli stessi pazienti sono stati inoltre sottoposti a prelievo bioptico di muscolo scheletrico per l’analisi ultrastrutturale, e per l’analisi dell’attività enzimatica della catena respiratoria mitocondriale. Nella stessa seduta veniva effettuata la biopsia cutanea per l’eventuale valutazione di deficit enzimatici nei fibroblasti. Risultati: l’età media alla diagnosi era di 132 giorni (range: 0-540 giorni) per le cardiomiopatie ipertrofiche, 90 giorni per le dilatative (range: 0-210 giorni) mentre le 2 bambine con cardiomiopatia restrittiva avevano 18 e 24 mesi al momento della diagnosi. Le indagini metaboliche eseguite sui 23 pazienti ci hanno permesso di individuare 5 bambini con malattia metabolica (di cui 2 deficit severi della catena respiratoria mitocondriale, 1 con insufficienza della β- ossidazione per alterazione delle acilcarnitine , 1 con sindrome di Barth e 1 con malattia di Pompe) e un caso di cardiomiopatia dilatativa associata a rachitismo carenziale. Di questi, 4 sono deceduti e uno è stato perduto al follow-up mentre la forma associata a rachitismo ha mostrato un netto miglioramento della funzionalità cardiaca dopo appropriata terapia con vitamina D e calcio. In tutti la malattia era stata diagnosticata entro l’anno di vita. Ciò concorda con gli studi documentati in letteratura che associano le malattie metaboliche ad un esordio precoce e ad una prognosi infausta. Da un punto di vista morfologico, un’evoluzione severa si associava alla forma dilatativa, ed in particolare a quella con aspetto non compaction del ventricolo sinistro, rispetto alla ipertrofica e, tra le ipertrofiche, alle forme con ostruzione all’efflusso ventricolare. Conclusioni: in accordo con quanto riscontrato in letteratura, abbiamo visto come le cardiomiopatie associate a forme secondarie, ed in particolare a disordini metabolici, sono di più frequente riscontro nella prima infanzia rispetto alle età successive e, per questo, l’esordio molto precoce di una cardiomiopatia deve essere sempre sospettata come l’espressione di una malattia sistemica. Abbiamo osservato, inoltre, una stretta correlazione tra l’età del bambino alla diagnosi e l’evoluzione della cardiomiopatia, registrando un peggioramento della prognosi in funzione della precocità della manifestazione clinica. In particolare la diagnosi eseguita in epoca prenatale si associava, nella maggior parte dei casi, ad un’evoluzione severa, comportandosi come una variabile indipendente da altri fattori prognostici. Riteniamo, quindi, opportuno sottoporre tutti i bambini con diagnosi di cardiomiopatia effettuata nei primi anni di vita ad uno screening metabolico completo volto ad individuare quelle forme per le quali sia possibile intraprendere una terapia specifica o, al contrario, escludere disordini che possano controindicare, o meno, l’esecuzione di un trapianto cardiaco qualora se ne presenti la necessità clinica.

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.

Memory hierarchy and data communication in heterogeneous reconfigurable SoCs

The miniaturization race in the hardware industry aiming at continuous increasing of transistor density on a die does not bring respective application performance improvements any more. One of the most promising alternatives is to exploit a heterogeneous nature of common applications in hardware. Supported by reconfigurable computation, which has already proved its efficiency in accelerating data intensive applications, this concept promises a breakthrough in contemporary technology development. Memory organization in such heterogeneous reconfigurable architectures becomes very critical. Two primary aspects introduce a sophisticated trade-off. On the one hand, a memory subsystem should provide well organized distributed data structure and guarantee the required data bandwidth. On the other hand, it should hide the heterogeneous hardware structure from the end-user, in order to support feasible high-level programmability of the system. This thesis work explores the heterogeneous reconfigurable hardware architectures and presents possible solutions to cope the problem of memory organization and data structure. By the example of the MORPHEUS heterogeneous platform, the discussion follows the complete design cycle, starting from decision making and justification, until hardware realization. Particular emphasis is made on the methods to support high system performance, meet application requirements, and provide a user-friendly programmer interface. As a result, the research introduces a complete heterogeneous platform enhanced with a hierarchical memory organization, which copes with its task by means of separating computation from communication, providing reconfigurable engines with computation and configuration data, and unification of heterogeneous computational devices using local storage buffers. It is distinguished from the related solutions by distributed data-flow organization, specifically engineered mechanisms to operate with data on local domains, particular communication infrastructure based on Network-on-Chip, and thorough methods to prevent computation and communication stalls. In addition, a novel advanced technique to accelerate memory access was developed and implemented.