Anticancer drug screening from images of zebrafish embryogenesis

During the previous 10 years, global R&D expenditure in the pharmaceuticals and biotechnology sector has steadily increased, without a corresponding increase in output of new medicines. To address this situation, the biopharmaceutical industry's greatest need is to predict the failures at the earliest possible stage of the drug development process. A major key to reducing failures in drug screenings is the development and use of preclinical models that are more predictive of efficacy and safety in clinical trials. Further, relevant animal models are needed to allow a wider testing of novel hypotheses. Key to this is the developing, refining, and validating of complex animal models that directly link therapeutic targets to the phenotype of disease, allowing earlier prediction of human response to medicines and identification of safety biomarkers. Morehover, well-designed animal studies are essential to bridge the gap between test in cell cultures and people. Zebrafish is emerging, complementary to other models, as a powerful system for cancer studies and drugs discovery. We aim to investigate this research area designing a new preclinical cancer model based on the in vivo imaging of zebrafish embryogenesis. Technological advances in imaging have made it feasible to acquire nondestructive in vivo images of fluorescently labeled structures, such as cell nuclei and membranes, throughout early Zebrafishsh embryogenesis. This In vivo image-based investigation provides measurements for a large number of features at cellular level and events including nuclei movements, cells counting, and mitosis detection, thereby enabling the estimation of more significant parameters such as proliferation rate, highly relevant for investigating anticancer drug effects. In this work, we designed a standardized procedure for accessing drug activity at the cellular level in live zebrafish embryos. The procedure includes methodologies and tools that combine imaging and fully automated measurements of embryonic cell proliferation rate. We achieved proliferation rate estimation through the automatic classification and density measurement of epithelial enveloping layer and deep layer cells. Automatic embryonic cells classification provides the bases to measure the variability of relevant parameters, such as cell density, in different classes of cells and is finalized to the estimation of efficacy and selectivity of anticancer drugs. Through these methodologies we were able to evaluate and to measure in vivo the therapeutic potential and overall toxicity of Dbait and Irinotecan anticancer molecules. Results achieved on these anticancer molecules are presented and discussed; furthermore, extensive accuracy measurements are provided to investigate the robustness of the proposed procedure. Altogether, these observations indicate that zebrafish embryo can be a useful and cost-effective alternative to some mammalian models for the preclinical test of anticancer drugs and it might also provides, in the near future, opportunities to accelerate the process of drug discovery.

Valutazione preclinica di nuovi potenziali bersagli terapeutici per la cura del medulloblastoma.

Il medulloblastoma (MB) è il tumore più comune del sistema nervoso centrale. Attualmente si riesce a curare solo il 50-60% dei pazienti che tuttavia presentano gravi effetti collaterali dovuti alle cure molto aggressive. Una recente classificazione molecolare ha ridistribuito le varianti più comuni di MB in quattro distinti gruppi. In particolare, il gruppo SHH e D sono caratterizzati da un’ alta espressione di MYCN ed associati a prognosi sfavorevole. MYCN è coinvolto nella regolazione della proliferazione cellulare, differenziazione, apoptosi, angiogenesi e metastasi. L’obiettivo di questo lavoro è la valutazione dell’attività antitumorale di oligonucleotidi diretti contro MYCN, sia in vitro su diverse linee cellulari di MB che in vivo in modelli murini xenograft ortotopici di MB. I risultati hanno dimostrato un’ottima inibizione della crescita in linee cellulari di MB, accompagnata da una riduzione della trascrizione genica e dei livelli proteici di MYCN. Inoltre, sono stati confermati tramite RT-PCR alcuni dei geni trovati significativamente variati nell’esperimento di microarray , dopo il trattamento. Molto interessanti sono stati geni quali BIRC5, che risulta down regolato mentre il gene p21 risulta up regolato in tutte le linee cellulari di MB utilizzate. Inoltre, sono stati generati modelli murini di MB utilizzando cellule precedentemente trasfettate per esprimere il gene della luciferasi e valutarne così la crescita tumorale tramite imaging bioluminescente in vivo (BLI), al fine di poter testare l’attività antitumorale data dagli oligonucleotidi. I risultati hanno dimostrato una buona risposta al trattamento come rilevato dalla tecnica di BLI. I dati preliminari prodotti, dimostrano che MYCN potrebbe esser un buon target per la terapia del MB nei casi in cui è overespresso. In particolare, una sua inibizione potrebbe presentare effetti indesiderati moderati in quanto è poco espresso dopo la nascita.

Farmacogenomica della Clofarabina nel trattamento delle Leucemie Acute pediatriche: identificazione di nuovi bersagli molecolari e del profilo genomico associato all’efficacia terapeutica del farmaco antitumorale

In quest’ultimi decenni si è assistito ad un notevole miglioramento nella terapia delle Leucemie Acute (LA) pediatriche, nonostante tutto si assiste oggi ad una fase di plateau della curva di sopravvivenza e le leucemie continuano a costituire la principale causa di morte pediatrica per malattia. Ulteriori progressi nel trattamento delle LA potrebbero essere ottenuti mediante studi di farmacogenomica che, identificando le componenti genetiche associate alla risposta individuale ai trattamenti farmacologici, consentono il disegno di terapie personalizzate e tumore-specifiche, ad alta efficacia e bassa tossicità per ciascun paziente. Il lavoro svolto è stato, dunque, finalizzato allo studio della farmacogenomica del farmaco antitumorale Clofarabina (CLO) nel trattamento delle LA pediatriche al fine di identificare marcatori genetici predittivi di risposta delle cellule leucemiche al farmaco, delucidare i meccanismi di resistenza cellulare ed individuare nuovi bersagli verso cui indirizzare terapie più mirate ed efficaci. L’analisi in vitro della sensibilità alla CLO di blasti provenienti da pazienti pediatrici affetti da Leucemia Acuta Linfoblastica (LAL) e Mieloide (LAM) ha consentito l’identificazione di due sottopopolazioni di cellule LAL ad immunofenotipo T a diversa sensibilità alla CLO. Mediante DNA-microarrays, si è identificata la “signature” genetica specificamente associata alla diversa risposta delle cellule LAL-T al farmaco. Successivamente, la caratterizzazione funzionale dei geni differenziali e l’analisi dei pathways hanno consentito l’identificazione specifica di potenziali biomarcatori di risposta terapeutica aprendo nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi di resistenza cellulare alla CLO e suggerendo un nuovo bersaglio terapeutico per le forme LAL-T a bassa sensibilità al farmaco. In conclusione, nel lavoro svolto si sono identificati set di geni e pathways di rilievo biologico per la risposta delle cellule LAL-T alla CLO suggerendo marcatori genetici in grado di identificare i soggetti eleggibili per il trattamento o verso cui disegnare terapie innovative. Il lavoro è paradigma per l’applicazione della farmacogenomica in altre neoplasie.

Analisi molecolare dei linfomi cutanei aggressivi

I linfomi primitivi cutanei riconosciuti nella classificazione della WHO/EORTC si presentano come “entità cliniche distinte” su base clinica, morfologica, immunofenotipica e molecolare. Il fenotipo linfocitario T helper CD4+ caratterizza i CTCL, ma alcune entità a prognosi aggressiva presentano un immunofenotipo citotossico CD8+. Numerosi studi di citogenetica (CGH) e gene-expression profiling (GEP) sono stati condotti negli ultimi anni sui CTCL e sono state riscontrate numerose aberrazioni cromosomiche correlate ai meccanismi di controllo del ciclo cellulare. Scopo del nostro studio è la valutazione delle alterazioni genomiche coinvolte nella tumorigenesi di alcuni CTCL aggressivi: il linfoma extranodale NK/T nasal-type, il linfoma primitivo cutaneo aggressivo epidermotropo (AECTCL) e il gruppo dei PTCL/NOS pleomorfo CD8+. Il materiale bioptico dei pazienti è stato sottoposto alla metodica dell’array-CGH per identificare le anomalie cromosomiche; in alcuni casi di AECTCL è stata applicata la GEP, che evidenzia il profilo di espressione genica delle cellule neoplastiche. I dati ottenuti sono stati valutati in modo statistico, evidenziando le alterazioni cromosomiche comuni significative di ogni entità. In CGH, sono state evidenziate alcune aberrazioni comuni fra le entità studiate, la delezione di 9p21.3, l’amplificazione di 17q, 19p13, 19q13.11-q13.32 , 12q13 e 16p13.3, che determinano la delezione dei geni CDKN2A e CDKN2B e l’attivazione del JAK/STAT signaling pathway. Altre alterazioni definiscono l’amplificazione di c-MYC (8q24) e CCND1/CDK4-6 (11q13). In particolare, sono state evidenziate numerose anomalie genomiche comuni in casi di AECTCL e PTCL/NOS pleomorfo. L’applicazione della GEP in 5 casi di AECTCL ha confermato l’alterata espressione dei geni CDKN2A, JAK3 e STAT6, che potrebbero avere un ruolo diretto nella linfomagenesi. Lo studio di un numero maggiore di casi in GEP e l’introduzione delle nuove indagini molecolari come l’analisi dei miRNA, della whole-exome e whole genome sequences consentiranno di evidenziare alterazioni molecolari correlate con la prognosi, definendo anche nuovi target terapeutici.

Biomolecular studies in Alzheimer’s Disease models: investigations in vitro and in vivo

The Alzheimer’s disease (AD), the most prevalent form of age-related dementia, is a multifactorial and heterogeneous neurodegenerative disease. The molecular mechanisms underlying the pathogenesis of AD are yet largely unknown. However, the etiopathogenesis of AD likely resides in the interaction between genetic and environmental risk factors. Among the different factors that contribute to the pathogenesis of AD, amyloid-beta peptides and the genetic risk factor apoE4 are prominent on the basis of genetic evidence and experimental data. ApoE4 transgenic mice have deficits in spatial learning and memory associated with inflammation and brain atrophy. Evidences suggest that apoE4 is implicated in amyloid-beta accumulation, imbalance of cellular antioxidant system and in apoptotic phenomena. The mechanisms by which apoE4 interacts with other AD risk factors leading to an increased susceptibility to the dementia are still unknown. The aim of this research was to provide new insights into molecular mechanisms of AD neurodegeneration, investigating the effect of amyloid-beta peptides and apoE4 genotype on the modulation of genes and proteins differently involved in cellular processes related to aging and oxidative balance such as PIN1, SIRT1, PSEN1, BDNF, TRX1 and GRX1. In particular, we used human neuroblastoma cells exposed to amyloid-beta or apoE3 and apoE4 proteins at different time-points, and selected brain regions of human apoE3 and apoE4 targeted replacement mice, as in vitro and in vivo models, respectively. All genes and proteins studied in the present investigation are modulated by amyloid-beta and apoE4 in different ways, suggesting their involvement in the neurodegenerative mechanisms underlying the AD. Finally, these proteins might represent novel potential diagnostic and therapeutic targets in AD.

Analisi preclinica di nuove strategie terapeutiche basate sull'inibizione di protein-chinasi nell'osteosarcoma.

Scopo: L’obiettivo del presente programma di studio è stato quello di identificare e validare nuovi possibili bersagli terapeutici per l’osteosarcoma (OS) partendo dall’analisi del chinoma umano. Risultati: L’analisi del profilo di espressione genica ottenuta su 21 campioni clinici di OS ad alto grado di malignità ha permesso di selezionare le seguenti chinasi di possibile rilevanza biologica per l’OS: AURK-A, AURK-B, CDK2, PIK3CA, PLK-1. Le chinasi selezionate sono state validate tramite RNA interference. Successivamente è stata valutata l’efficacia dei relativi inibitori specifici: VX-680 e ZM-447439 inibitori delle Aurora-chinasi, Roscovitina di CDK2 e NMS1 di PLK-1, già inclusi in studi clinici. In termini d’inibizione della crescita cellulare le linee sono risultate maggiomente sensibili ai farmaci VX-680 e NMS1. E’ stata osservata una minor sensibilità ai farmaci VX-680, ZM447439 e NMS1 nelle linee doxorubicina(DX)-resistenti (caratterizzate da elevati livelli di espressione di ABCB1), indicando questi farmaci come potenziali substrati di ABCB1. La Roscovitina, nonostante i valori di IC50 elevati, non sembrerebbe substrato di ABCB1. La validazione preclinica di VX-680 e ZM447439 è stata completata. La forte inibizione della crescita è causata da endoreduplicazione per mancata citodieresi con conseguente formazione di una popolazione iperploide e apoptosi. Inoltre, VX-680 inibisce la motilità e la capacità di formare colonie. Esperimenti di associazione farmacologica mostrano che VX-680 interagisce positivamente con tutti i chemioterapici convenzionali impiegati nel trattamento dell’OS. NMS-1 produce interazioni positive con la DX in linee cellulari DX-resistenti, probabilmente grazie all’effetto revertante esercitato su ABCB1. La Roscovitina produce interazioni positive con CDDP e DX nelle varianti resistenti, effetto probbilmente dovuto al ruolo di CDK2 nei meccanismi di riparo del DNA. Conclusioni: L’analisi in vitro dell’attività degli inibitori ha permesso di identificare VX-680 come nuovo farmaco di potenziale interesse clinico, soprattutto in virtù delle sue interazioni sinergiche con i chemioterapici di uso convenzionale nel trattamento dell’osteosarcoma.

Studio dell'interazione di HIV-1 sulle cellule progenitrici ematopoietiche CD34+ (HPCs)

Oltre alla progressiva perdita dei linfociti T CD4, i pazienti HIV-infetti presentano diverse citopenie periferiche. In particolare l’anemia si riscontra nel 10% dei pazienti asintomatici e nel 92% di quelli con AIDS e la terapia cART non è in grado di risolvere tale problematica. I meccanismi patogenetici alla base di questa citopenia si ritiene che possano riguardare la deregolazione citochinica, il danno alle HPCs, alle cellule in differenziamento e alle cellule stromali. Le cellule progenitrici ematopoietiche CD34+, dopo essere state separate da sangue cordonale e differenziate verso la linea eritroide, sono state trattate con HIV-1 attivo, inattivato al calore e gp120. In prima istanza è stata messa in luce la mancata suscettibilità all’infezione e l’aumento dell’ apoptosi dovuto al legame gp120-CD4/CXCR4 e mediato dal TGF-β1 nelle cellule progenitrici indifferenziate. L’aspetto innovativo di questo studio però si evidenzia esaminando l’effetto di gp120 durante il differenziamento verso la filiera eritrocitaria. Sono stati utilizzati due protocolli sperimentali: nel primo le cellule sono inizialmente trattate per 24 ore con gp120 (o con HIV-1 inattivato al calore) e poi indotte in differenziamento, nel secondo vengono prima differenziate e poi trattate con gp120. Il “priming” negativo determina una apoptosi gp120-indotta molto marcata già dopo 48 ore dal trattamento ed una riduzione del differenziamento. Se tali cellule vengono invece prima differenziate per 24 ore e poi trattate con gp120, nei primi 5 giorni dal trattamento, è presente un aumento di proliferazione e differenziamento, a cui segue un brusco arresto che culmina con una apoptosi molto marcata (anch’essa dipendente dal legame gp120-CD4 e CXCR4 e TGF-β1 dipendente) e con una drastica riduzione del differenziamento. L’insieme dei risultati ha permesso di definire in modo consistente la complessità della genesi dell’anemia in questi pazienti e di poter suggerire nuovi target terapeutici in questi soggetti, già sottoposti a cART.

Identification of novel genetic alterations in pediatric cytogenetically normal acute myeloid leukemia by next-generation sequencing

Pediatric acute myeloid leukemia (AML) is a molecularly heterogeneous disease that arises from genetic alterations in pathways that regulate self-renewal and myeloid differentiation. While the majority of patients carry recurrent chromosomal translocations, almost 20% of childhood AML do not show any recognizable cytogenetic alteration and are defined as cytogenetically normal (CN)-AML. CN-AML patients have always showed a great variability in response to therapy and overall outcome, underlining the presence of unknown genetic changes, not detectable by conventional analyses, but relevant for pathogenesis, and outcome of AML. The development of novel genome-wide techniques such as next-generation sequencing, have tremendously improved our ability to interrogate the cancer genome. Based on this background, the aim of this research study was to investigate the mutational landscape of pediatric CN-AML patients negative for all the currently known somatic mutations reported in AML through whole-transcriptome sequencing (RNA-seq). RNA-seq performed on diagnostic leukemic blasts from 19 pediatric CN-AML cases revealed a considerable incidence of cryptic chromosomal rearrangements, with the identification of 21 putative fusion genes. Several of the fusion genes that were identified in this study are recurrent and might have a prognostic and/or therapeutic relevance. A paradigm of that is the CBFA2T3-GLIS2 fusion, which has been demonstrated to be a common alteration in pediatric CN-AML, predicting poor outcome. Important findings have been also obtained in the identification of novel therapeutic targets. On one side, the identification of NUP98-JARID1A fusion suggests the use of disulfiram; on the other, here we describe alteration-activating tyrosine kinases, providing functional data supporting the use of tyrosine kinase inhibitors to specifically inhibit leukemia cells. This study provides new insights in the knowledge of genetic alterations underlying pediatric AML, defines novel prognostic markers and putative therapeutic targets, and prospectively ensures a correct risk stratification and risk-adapted therapy also for the “all-neg” AML subgroup.

Computational Modelling of Cardiac Electrophysiology: from Cell to Bedside

Heart diseases are the leading cause of death worldwide, both for men and women. However, the ionic mechanisms underlying many cardiac arrhythmias and genetic disorders are not completely understood, thus leading to a limited efficacy of the current available therapies and leaving many open questions for cardiac electrophysiologists. On the other hand, experimental data availability is still a great issue in this field: most of the experiments are performed in vitro and/or using animal models (e.g. rabbit, dog and mouse), even when the final aim is to better understand the electrical behaviour of in vivo human heart either in physiological or pathological conditions. Computational modelling constitutes a primary tool in cardiac electrophysiology: in silico simulations, based on the available experimental data, may help to understand the electrical properties of the heart and the ionic mechanisms underlying a specific phenomenon. Once validated, mathematical models can be used for making predictions and testing hypotheses, thus suggesting potential therapeutic targets. This PhD thesis aims to apply computational cardiac modelling of human single cell action potential (AP) to three clinical scenarios, in order to gain new insights into the ionic mechanisms involved in the electrophysiological changes observed in vitro and/or in vivo. The first context is blood electrolyte variations, which may occur in patients due to different pathologies and/or therapies. In particular, we focused on extracellular Ca2+ and its effect on the AP duration (APD). The second context is haemodialysis (HD) therapy: in addition to blood electrolyte variations, patients undergo a lot of other different changes during HD, e.g. heart rate, cell volume, pH, and sympatho-vagal balance. The third context is human hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a genetic disorder characterised by an increased arrhythmic risk, and still lacking a specific pharmacological treatment.

Cancer and aging: a multidisciplinary medicinal chemistry approach on relevant biological targets such as proteasome, sirtuins and interleukin 6

It is well known that ageing and cancer have common origins due to internal and environmental stress and share some common hallmarks such as genomic instability, epigenetic alteration, aberrant telomeres, inflammation and immune injury. Moreover, ageing is involved in a number of events responsible for carcinogenesis and cancer development at the molecular, cellular, and tissue levels. Ageing could represent a “blockbuster” market because the target patient group includes potentially every person; at the same time, oncology has become the largest therapeutic area in the pharmaceutical industry in terms of the number of projects, clinical trials and research and development (R&D) spending, but cancer remains one of the leading causes of mortality worldwide. The overall aim of the work presented in this thesis was the rational design of new compounds able to modulate activity of relevant targets involved in cancer and aging-related pathologies, namely proteasome and immunoproteasome, sirtuins and interleukin 6. These three targets play different roles in human cells, but the modulation of its activity using small molecules could have beneficial effects on one or more aging-related diseases and cancer. We identified new moderately active and selective non-peptidic compounds able to inhibit the activity of both standard and immunoproteasome, as well as novel and selective scaffolds that would bind and inhibit SIRT6 selectively and can be used to sensitize tumor cells to commonly used anticancer agents such gemcitabine and olaparib. Moreover, our virtual screening approach led us also to the discovery of new putative modulators of SIRT3 with interesting in-vitro and cellular activity. Although the selectivity and potency of the identified chemical scaffolds are susceptible to be further improved, these compounds can be considered as highly promising leads for the development of future therapeutics.