Bioanalytical applications of multicolour bioluminescence imaging: new tools for drug discovery and development

The subject of this thesis is multicolour bioluminescence analysis and how it can provide new tools for drug discovery and development.The mechanism of color tuning in bioluminescent reactions is not fully understood yet but it is object of intense research and several hypothesis have been generated. In the past decade key residues of the active site of the enzyme or in the surface surrounding the active site have been identified as responsible of different color emission. Anyway since bioluminescence reaction is strictly dependent from the interaction between the enzyme and its substrate D-luciferin, modification of the substrate can lead to a different emission spectrum too. In the recent years firefly luciferase and other luciferases underwent mutagenesis in order to obtain mutants with different emission characteristics. Thanks to these new discoveries in the bioluminescence field multicolour luciferases can be nowadays employed in bioanalysis for assay developments and imaging purposes. The use of multicolor bioluminescent enzymes expanded the potential of a range of application in vitro and in vivo. Multiple analysis and more information can be obtained from the same analytical session saving cost and time. This thesis focuses on several application of multicolour bioluminescence for high-throughput screening and in vivo imaging. Multicolor luciferases can be employed as new tools for drug discovery and developments and some examples are provided in the different chapters. New red codon optimized luciferase have been demonstrated to be improved tools for bioluminescence imaging in small animal and the possibility to combine red and green luciferases for BLI has been achieved even if some aspects of the methodology remain challenging and need further improvement. In vivo Bioluminescence imaging has known a rapid progress since its first application no more than 15 years ago. It is becoming an indispensable tool in pharmacological research. At the same time the development of more sensitive and implemented microscopes and low-light imager for a better visualization and quantification of multicolor signals would boost the research and the discoveries in life sciences in general and in drug discovery and development in particular.

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.