Nuove sonde fluorescenti per lo studio e la quantificazione del magnesio totale intracellulare

Sebbene il magnesio sia essenziale per la maggior parte dei processi biologici, si conosce ancora poco sulla sua distribuzione e compartimentalizzazione intracellulare, soprattutto a causa dell’inadeguatezza delle tecniche attualmente disponibili. Per questo motivo, particolare interesse ha recentemente suscitato una famiglia di molecole fluorescenti, diaza-18-crown-6 8-idrossichinoline (DCHQ1 e suoi derivati), che mostrano un’alta specificità e affinità per il magnesio (superiore a quella delle sonde commerciali), che consente di mappare il magnesio totale intracellulare. L’approccio sintetico alle molecole DCHQ è stato ottimizzato mediante riscaldamento alle microonde: con questa nuova metodica è stato possibile sintetizzare una famiglia di derivati con caratteristiche di fluorescenza, uptake, ritenzione e localizzazione intracellulare potenziate rispetto alla capostipite DCHQ1. Il derivato acetometossi estere (DCHQ3), idrolizzato dalle esterasi cellulari, ha mostrato un miglior uptake e ritenzione intracellulare; le lunghe catene laterali alchiliche della sonda DCHQ4, invece, hanno conferito a questo derivato maggiore lipofilicità e, di conseguenza, maggiore affinità per le membrane; con l’inserimento di gruppi laterali aromatici, infine, si sono ottenute due sonde (DCHQ5 e DCHQ6) molto fluorescenti e altamente ritenute all’interno delle cellule anche dopo i lavaggi. Il derivato fenilico DCHQ5 si è dimostrato, inoltre, utilizzabile anche per saggi fluorimetrici quantitativi del magnesio totale in campioni cellulari molto piccoli; in più, grazie all’alta ritenzione cellulare, è stato usato per monitorare e quantificare l’efflusso di magnesio attraverso la membrana plasmatica in risposta a stimolazione con cAMP. I risultati presentati in questa tesi mostrano che i DCHQ-derivati potranno rappresentare in futuro uno strumento versatile per lo studio della distribuzione e dell’omeostasi del magnesio cellulare. In particolare la sonda DCHQ5 ha mostrato l’ulteriore peculiarità di essere eccitabile sia nell’UV che nel visibile, e potrebbe essere quindi utilizzata con successo in un’ampia varietà di misure di fluorescenza, fornendo un contributo importante per la comprensione del ruolo di questo importante elemento.

Study of Bone Biomineralization in 2D and 3D Cultures of a Human Osteosarcoma Cell Line As Osteoblast-like Model

This PhD project focuses on the study of the early stages of bone biomineralization in 2D and 3D cultures of osteoblast-like SaOS-2 osteosarcoma cells, exposed to an osteogenic cocktail. The efficacy of osteogenic treatment was assessed on 2D cell cultures after 7 days. A large calcium minerals production, an overexpression of osteogenic markers and of alkaline phosphatase activity occurred in treated samples. TEM microscopy and cryo-XANES micro-spectroscopy were performed for localizing and characterizing Ca-depositions. These techniques revealed a different localization and chemical composition of Ca-minerals over time and after treatment. Nevertheless, the Mito stress test showed in treated samples a significant increase in maximal respiration levels associated to an upregulation of mitochondrial biogenesis indicative of an ongoing differentiation process. The 3D cell cultures were realized using two different hydrogels: a commercial collagen type I and a mixture of agarose and lactose-modified chitosan (CTL). Both biomaterials showed good biocompatibility with SaOS-2 cells. The gene expression analysis of SaOS-2 cells on collagen scaffolds indicated an osteogenic commitment after treatment. and Alizarin red staining highlighted the presence of Ca-spots in the differentiated samples. In addition, the intracellular magnesium quantification, and the X-ray microscopy on mineral depositions, suggested the incorporation of Mg during the early stages of bone formation process., SaOS-2 cells treated with osteogenic cocktail produced Ca mineral deposits also on CTL/agarose scaffolds, as confirmed by alizarin red staining. Further studies are underway to evaluate the differentiation also at the genetic level. Thanks to the combination of conventional laboratory methods and synchrotron-based techniques, it has been demonstrated that SaOS-2 is a suitable model for the study of biomineralization in vitro. These results have contributed to a deeper knowledge of biomineralization process in osteosarcoma cells and could provide new evidences about a therapeutic strategy acting on the reversibility of tumorigenicity by osteogenic induction.