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.

Anomalie cerebellari fetali: confronto tra ecografia e risonanza magnetica prenatale e follow up a distanza

Cerebellar malformation are increasingly diagnosed in utero. To assess the effectiveness of ultrasound and fetal magnetic resonance in the antenatal prediction of long term neurodevelopmental delay. STUDY DESIGN: We collected 105 cases of cerebellum malformation in the period 2000-2010 in Bologna and Bari University. Classification included cystic anomalies of posterior fossa and cerebellar hypoplasia. RESULTS: The greater group included Blake’s pouch cysts and mega cisterna magna cases (58/105). These cases seemed to have a good prognosis with a good outcome both in association with other anomalies and isolated. In cases of Dandy Walker malformation, vermis hypoplasia and cerebellum hypoplasia there were few survivors, so it was so difficult to outline some conclusion for child outcome. Despite great neuroimaging advances, in our study, ultrasound and MR reached a similar sensitivity (62-63%) for the diagnosis of posterior fossa anomalies, but the number of MR was lower compared with ultrasonography. CONCLUSION: Ultrasonography remains the screening method of choice for evaluation of cerebellum anatomy but probably MR imaging can improve some details expecially in the third trimester. Despite the data on Dandy Walker, vermis hypoplasia and cerebellum hypoplasia were conflicting and uncertain, for Blake and mega cisterna magna we can considered a rather good outcome.

Studies of sustainable strategies to control phytopathogen agents

Choosing natural enemies to suppress pest population has been for a long the key of biological control. Overtime the term biological control has also been applied to the use of suppressive soils, bio-disinfection and biopesticides. Biological control agents (BCA) and natural compounds, extracted or fermented from various sources, are the resources for containing phytopathogens. BCA can act through direct antagonism mechanisms or inducing hypovirulence of the pathogen. The first part of the thesis focused on mycoviruses infecting phytopathogenic fungi belonging to the genus Fusarium. The development of new approaches capable of faster dissecting the virome of filamentous fungi samples was performed. The semiconductor-based sequencer Ion Torrent™ and the nanopore-based sequencer MinION have been exploited to analyze DNA and RNA referable to viral genomes. Comparison with GeneBank accessions and sequence analysis allowed to identify more than 40 putative viral species, some of these mycovirus genera have been studied as inducers of hypovirulence in several phytopathogenic fungi, therefore future works will focus on the comparison of the morphology and physiology of the fungal strain infected and cured by the viruses identified and their possible use as a biocontrol agent. In a second part of the thesis the potential of botanical pesticides has been evaluated for the biocontrol of phloem limited phytopathogens such as phytoplasmas. The only active compounds able to control phytoplasmas are the antibiotic oxytetracyclines and in vitro direct and fast screening of new antimicrobials compounds on media is almost impossible due to the difficulty to culture phytoplasmas. For this reason, a simple and reliable screening method was developed to evaluate the effects of antimicrobials directly on phytoplasmas by an “ex-vivo” approach. Using scanning electron microscopy (SEM) in parallel with molecular tools (ddRT-PCR), the direct activity of tetracyclines on phytoplasma cells was verified, identifying also a promising compound showing similar activity.

Analytical instrumental approaches and strategies to support the sensory assessment of virgin olive oils

At the beginning, this Ph.D. project led to an overview of the most common and emerging types of fraud and possible countermeasures in the olive oil sector. Furthermore, possible weaknesses in the current conformity check system for olive oil were highlighted. Among those, despite the organoleptic assessment is a fundamental tool for establishing the virgin olive oils (VOOs) quality grade, the scientific community has evidenced some drawbacks in it. In particular, the application of instrumental screening methods to support the panel test could reduce the work of sensory panels and the cost of this analysis (e.g. for industries, distributors, public and private control laboratories), permitting the increase in the number and the efficiency of the controls. On this basis, a research line called “Quantitative Panel Test” is one of the main expected outcomes of the OLEUM project that is also partially discussed in this doctoral dissertation. In this framework, analytical activities were carried out, within this PhD project, aimed to develop and validate analytical protocols for the study of the profiles in volatile compounds (VOCs) of the VOOs headspace. Specifically, two chromatographic approaches, one targeted and one semi-targeted, to determine VOCs were investigated in this doctoral thesis. The obtained results, will allow the possible establishment of concentration limits and ranges of selected volatile markers, as related to fruitiness and defects, with the aim to support the panel test in the commercial categorization of VOOs. In parallel, a rapid instrumental screening method based on the analysis of VOCs has been investigated to assist the panel test through a fast pre-classification of VOOs samples based on a known level of probability, thus increasing the efficiency of quality control.

Computational methods for genome screening

Motivation An actual issue of great interest, both under a theoretical and an applicative perspective, is the analysis of biological sequences for disclosing the information that they encode. The development of new technologies for genome sequencing in the last years, opened new fundamental problems since huge amounts of biological data still deserve an interpretation. Indeed, the sequencing is only the first step of the genome annotation process that consists in the assignment of biological information to each sequence. Hence given the large amount of available data, in silico methods became useful and necessary in order to extract relevant information from sequences. The availability of data from Genome Projects gave rise to new strategies for tackling the basic problems of computational biology such as the determination of the tridimensional structures of proteins, their biological function and their reciprocal interactions. Results The aim of this work has been the implementation of predictive methods that allow the extraction of information on the properties of genomes and proteins starting from the nucleotide and aminoacidic sequences, by taking advantage of the information provided by the comparison of the genome sequences from different species. In the first part of the work a comprehensive large scale genome comparison of 599 organisms is described. 2,6 million of sequences coming from 551 prokaryotic and 48 eukaryotic genomes were aligned and clustered on the basis of their sequence identity. This procedure led to the identification of classes of proteins that are peculiar to the different groups of organisms. Moreover the adopted similarity threshold produced clusters that are homogeneous on the structural point of view and that can be used for structural annotation of uncharacterized sequences. The second part of the work focuses on the characterization of thermostable proteins and on the development of tools able to predict the thermostability of a protein starting from its sequence. By means of Principal Component Analysis the codon composition of a non redundant database comprising 116 prokaryotic genomes has been analyzed and it has been showed that a cross genomic approach can allow the extraction of common determinants of thermostability at the genome level, leading to an overall accuracy in discriminating thermophilic coding sequences equal to 95%. This result outperform those obtained in previous studies. Moreover, we investigated the effect of multiple mutations on protein thermostability. This issue is of great importance in the field of protein engineering, since thermostable proteins are generally more suitable than their mesostable counterparts in technological applications. A Support Vector Machine based method has been trained to predict if a set of mutations can enhance the thermostability of a given protein sequence. The developed predictor achieves 88% accuracy.

Computational strategies to include protein flexibility in Ligand Docking and Virtual Screening

The dynamic character of proteins strongly influences biomolecular recognition mechanisms. With the development of the main models of ligand recognition (lock-and-key, induced fit, conformational selection theories), the role of protein plasticity has become increasingly relevant. In particular, major structural changes concerning large deviations of protein backbones, and slight movements such as side chain rotations are now carefully considered in drug discovery and development. It is of great interest to identify multiple protein conformations as preliminary step in a screening campaign. Protein flexibility has been widely investigated, in terms of both local and global motions, in two diverse biological systems. On one side, Replica Exchange Molecular Dynamics has been exploited as enhanced sampling method to collect multiple conformations of Lactate Dehydrogenase A (LDHA), an emerging anticancer target. The aim of this project was the development of an Ensemble-based Virtual Screening protocol, in order to find novel potent inhibitors. On the other side, a preliminary study concerning the local flexibility of Opioid Receptors has been carried out through ALiBERO approach, an iterative method based on Elastic Network-Normal Mode Analysis and Monte Carlo sampling. Comparison of the Virtual Screening performances by using single or multiple conformations confirmed that the inclusion of protein flexibility in screening protocols has a positive effect on the probability to early recognize novel or known active compounds.