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.

Variability analysis of discrete event series and wavefront patterns in surface electrocardiogram: contributions to psychophysiological and clinical research

The surface electrocardiogram (ECG) is an established diagnostic tool for the detection of abnormalities in the electrical activity of the heart. The interest of the ECG, however, extends beyond the diagnostic purpose. In recent years, studies in cognitive psychophysiology have related heart rate variability (HRV) to memory performance and mental workload. The aim of this thesis was to analyze the variability of surface ECG derived rhythms, at two different time scales: the discrete-event time scale, typical of beat-related features (Objective I), and the “continuous” time scale of separated sources in the ECG (Objective II), in selected scenarios relevant to psychophysiological and clinical research, respectively. Objective I) Joint time-frequency and non-linear analysis of HRV was carried out, with the goal of assessing psychophysiological workload (PPW) in response to working memory engaging tasks. Results from fourteen healthy young subjects suggest the potential use of the proposed indices in discriminating PPW levels in response to varying memory-search task difficulty. Objective II) A novel source-cancellation method based on morphology clustering was proposed for the estimation of the atrial wavefront in atrial fibrillation (AF) from body surface potential maps. Strong direct correlation between spectral concentration (SC) of atrial wavefront and temporal variability of the spectral distribution was shown in persistent AF patients, suggesting that with higher SC, shorter observation time is required to collect spectral distribution, from which the fibrillatory rate is estimated. This could be time and cost effective in clinical decision-making. The results held for reduced leads sets, suggesting that a simplified setup could also be considered, further reducing the costs. In designing the methods of this thesis, an online signal processing approach was kept, with the goal of contributing to real-world applicability. An algorithm for automatic assessment of ambulatory ECG quality, and an automatic ECG delineation algorithm were designed and validated.

A Bayesian changepoint analysis on spatio-temporal point processes

Changepoint analysis is a well established area of statistical research, but in the context of spatio-temporal point processes it is as yet relatively unexplored. Some substantial differences with regard to standard changepoint analysis have to be taken into account: firstly, at every time point the datum is an irregular pattern of points; secondly, in real situations issues of spatial dependence between points and temporal dependence within time segments raise. Our motivating example consists of data concerning the monitoring and recovery of radioactive particles from Sandside beach, North of Scotland; there have been two major changes in the equipment used to detect the particles, representing known potential changepoints in the number of retrieved particles. In addition, offshore particle retrieval campaigns are believed may reduce the particle intensity onshore with an unknown temporal lag; in this latter case, the problem concerns multiple unknown changepoints. We therefore propose a Bayesian approach for detecting multiple changepoints in the intensity function of a spatio-temporal point process, allowing for spatial and temporal dependence within segments. We use Log-Gaussian Cox Processes, a very flexible class of models suitable for environmental applications that can be implemented using integrated nested Laplace approximation (INLA), a computationally efficient alternative to Monte Carlo Markov Chain methods for approximating the posterior distribution of the parameters. Once the posterior curve is obtained, we propose a few methods for detecting significant change points. We present a simulation study, which consists in generating spatio-temporal point pattern series under several scenarios; the performance of the methods is assessed in terms of type I and II errors, detected changepoint locations and accuracy of the segment intensity estimates. We finally apply the above methods to the motivating dataset and find good and sensible results about the presence and quality of changes in the process.

Frequency domain analysis of stationary time series

This thesis provides a necessary and sufficient condition for asymptotic efficiency of a nonparametric estimator of the generalised autocovariance function of a Gaussian stationary random process. The generalised autocovariance function is the inverse Fourier transform of a power transformation of the spectral density, and encompasses the traditional and inverse autocovariance functions. Its nonparametric estimator is based on the inverse discrete Fourier transform of the same power transformation of the pooled periodogram. The general result is then applied to the class of Gaussian stationary ARMA processes and its implications are discussed. We illustrate that for a class of contrast functionals and spectral densities, the minimum contrast estimator of the spectral density satisfies a Yule-Walker system of equations in the generalised autocovariance estimator. Selection of the pooling parameter, which characterizes the nonparametric estimator of the generalised autocovariance, controlling its resolution, is addressed by using a multiplicative periodogram bootstrap to estimate the finite-sample distribution of the estimator. A multivariate extension of recently introduced spectral models for univariate time series is considered, and an algorithm for the coefficients of a power transformation of matrix polynomials is derived, which allows to obtain the Wold coefficients from the matrix coefficients characterizing the generalised matrix cepstral models. This algorithm also allows the definition of the matrix variance profile, providing important quantities for vector time series analysis. A nonparametric estimator based on a transformation of the smoothed periodogram is proposed for estimation of the matrix variance profile.