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.

Electrode Materials for Ionic Liquid Based-Supercapacitors

The development of safe, high energy and power electrochemical energy-conversion systems can be a response to the worldwide demand for a clean and low-fuel-consuming transport. This thesis work, starting from a basic studies on the ionic liquid (IL) electrolytes and carbon electrodes and concluding with tests on large-size IL-based supercapacitor prototypes demonstrated that the IL-based asymmetric configuration (AEDLCs) is a powerful strategy to develop safe, high-energy supercapacitors that might compete with lithium-ion batteries in power assist-hybrid electric vehicles (HEVs). The increase of specific energy in EDLCs was achieved following three routes: i) the use of hydrophobic ionic liquids (ILs) as electrolytes; ii) the design and preparation of carbon electrode materials of tailored morphology and surface chemistry to feature high capacitance response in IL and iii) the asymmetric double-layer carbon supercapacitor configuration (AEDLC) which consists of assembling the supercapacitor with different carbon loadings at the two electrodes in order to exploit the wide electrochemical stability window (ESW) of IL and to reach high maximum cell voltage (Vmax). Among the various ILs investigated the N-methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR1(2O1)TFSI) was selected because of its hydrophobicity and high thermal stability up to 350 °C together with good conductivity and wide ESW, exploitable in a wide temperature range, below 0°C. For such exceptional properties PYR1(2O1)TFSI was used for the whole study to develop large size IL-based carbon supercapacitor prototype. This work also highlights that the use of ILs determines different chemical-physical properties at the interface electrode/electrolyte with respect to that formed by conventional electrolytes. Indeed, the absence of solvent in ILs makes the properties of the interface not mediated by the solvent and, thus, the dielectric constant and double-layer thickness strictly depend on the chemistry of the IL ions. The study of carbon electrode materials evidences several factors that have to be taken into account for designing performing carbon electrodes in IL. The heat-treatment in inert atmosphere of the activated carbon AC which gave ACT carbon featuring ca. 100 F/g in IL demonstrated the importance of surface chemistry in the capacitive response of the carbons in hydrophobic ILs. The tailored mesoporosity of the xerogel carbons is a key parameter to achieve high capacitance response. The CO2-treated xerogel carbon X3a featured a high specific capacitance of 120 F/g in PYR14TFSI, however, exhibiting high pore volume, an excess of IL is required to fill the pores with respect to that necessary for the charge-discharge process. Further advances were achieved with electrodes based on the disordered template carbon DTC7 with pore size distribution centred at 2.7 nm which featured a notably high specific capacitance of 140 F/g in PYR14TFSI and a moderate pore volume, V>1.5 nm of 0.70 cm3/g. This thesis work demonstrated that by means of the asymmetric configuration (AEDLC) it was possible to reach high cell voltage up to 3.9 V. Indeed, IL-based AEDLCs with the X3a or ACT carbon electrodes exhibited specific energy and power of ca. 30 Wh/kg and 10 kW/kg, respectively. The DTC7 carbon electrodes, featuring a capacitance response higher of 20%-40% than those of X3a and ACT, respectively, enabled the development of a PYR14TFSI-based AEDLC with specific energy and power of 47 Wh/kg and 13 kW/kg at 60°C with Vmax of 3.9 V. Given the availability of the ACT carbon (obtained from a commercial material), the PYR1(2O1)TFSI-based AEDLCs assembled with ACT carbon electrodes were selected within the EU ILHYPOS project for the development of large-size prototypes. This study demonstrated that PYR1(2O1)TFSI-based AEDLC can operate between -30°C and +60°C and its cycling stability was proved at 60°C up to 27,000 cycles with high Vmax up to 3.8 V. Such AEDLC was further investigated following USABC and DOE FreedomCAR reference protocols for HEV to evaluate its dynamic pulse-power and energy features. It was demonstrated that with Vmax of 3.7 V at T> 30 °C the challenging energy and power targets stated by DOE for power-assist HEVs, and at T> 0 °C the standards for the 12V-TSS and 42V-FSS and TPA 2s-pulse applications are satisfied, if the ratio wmodule/wSC = 2 is accomplished, which, however, is a very demanding condition. Finally, suggestions for further advances in IL-based AEDLC performance were found. Particularly, given that the main contribution to the ESR is the electrode charging resistance, which in turn is affected by the ionic resistance in the pores that is also modulated by pore length, the pore geometry is a key parameter in carbon design not only because it defines the carbon surface but also because it can differentially “amplify” the effect of IL conductivity on the electrode charging-discharging process and, thus, supercapacitor time constant.

Parameter estimation in a growth model for a biological population

The motivating problem concerns the estimation of the growth curve of solitary corals that follow the nonlinear Von Bertalanffy Growth Function (VBGF). The most common parameterization of the VBGF for corals is based on two parameters: the ultimate length L∞ and the growth rate k. One aim was to find a more reliable method for estimating these parameters, which can capture the influence of environmental covariates. The main issue with current methods is that they force the linearization of VBGF and neglect intra-individual variability. The idea was to use the hierarchical nonlinear model which has the appealing features of taking into account the influence of collection sites, possible intra-site measurement correlation and variance heterogeneity, and that can handle the influence of environmental factors and all the reliable information that might influence coral growth. This method was used on two databases of different solitary corals i.e. Balanophyllia europaea and Leptopsammia pruvoti, collected in six different sites in different environmental conditions, which introduced a decisive improvement in the results. Nevertheless, the theory of the energy balance in growth ascertains the linear correlation of the two parameters and the independence of the ultimate length L∞ from the influence of environmental covariates, so a further aim of the thesis was to propose a new parameterization based on the ultimate length and parameter c which explicitly describes the part of growth ascribable to site-specific conditions such as environmental factors. We explored the possibility of estimating these parameters characterizing the VBGF new parameterization via the nonlinear hierarchical model. Again there was a general improvement with respect to traditional methods. The results of the two parameterizations were similar, although a very slight improvement was observed in the new one. This is, nevertheless, more suitable from a theoretical point of view when considering environmental covariates.

NLGA based Active Control in Aerospace: fault tolerability, disturbance rejection, and parameter estimation

A new control scheme has been presented in this thesis. Based on the NonLinear Geometric Approach, the proposed Active Control System represents a new way to see the reconfigurable controllers for aerospace applications. The presence of the Diagnosis module (providing the estimation of generic signals which, based on the case, can be faults, disturbances or system parameters), mean feature of the depicted Active Control System, is a characteristic shared by three well known control systems: the Active Fault Tolerant Controls, the Indirect Adaptive Controls and the Active Disturbance Rejection Controls. The standard NonLinear Geometric Approach (NLGA) has been accurately investigated and than improved to extend its applicability to more complex models. The standard NLGA procedure has been modified to take account of feasible and estimable sets of unknown signals. Furthermore the application of the Singular Perturbations approximation has led to the solution of Detection and Isolation problems in scenarios too complex to be solved by the standard NLGA. Also the estimation process has been improved, where multiple redundant measuremtent are available, by the introduction of a new algorithm, here called "Least Squares - Sliding Mode". It guarantees optimality, in the sense of the least squares, and finite estimation time, in the sense of the sliding mode. The Active Control System concept has been formalized in two controller: a nonlinear backstepping controller and a nonlinear composite controller. Particularly interesting is the integration, in the controller design, of the estimations coming from the Diagnosis module. Stability proofs are provided for both the control schemes. Finally, different applications in aerospace have been provided to show the applicability and the effectiveness of the proposed NLGA-based Active Control System.