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.

Retrieval of trace gases vertical profile in the lower atmosphere combining. Differential Optical Absorption Spectroscopy with radiative transfer models

The motivation for the work presented in this thesis is to retrieve profile information for the atmospheric trace constituents nitrogen dioxide (NO2) and ozone (O3) in the lower troposphere from remote sensing measurements. The remote sensing technique used, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS), is a recent technique that represents a significant advance on the well-established DOAS, especially for what it concerns the study of tropospheric trace consituents. NO2 is an important trace gas in the lower troposphere due to the fact that it is involved in the production of tropospheric ozone; ozone and nitrogen dioxide are key factors in determining the quality of air with consequences, for example, on human health and the growth of vegetation. To understand the NO2 and ozone chemistry in more detail not only the concentrations at ground but also the acquisition of the vertical distribution is necessary. In fact, the budget of nitrogen oxides and ozone in the atmosphere is determined both by local emissions and non-local chemical and dynamical processes (i.e. diffusion and transport at various scales) that greatly impact on their vertical and temporal distribution: thus a tool to resolve the vertical profile information is really important. Useful measurement techniques for atmospheric trace species should fulfill at least two main requirements. First, they must be sufficiently sensitive to detect the species under consideration at their ambient concentration levels. Second, they must be specific, which means that the results of the measurement of a particular species must be neither positively nor negatively influenced by any other trace species simultaneously present in the probed volume of air. Air monitoring by spectroscopic techniques has proven to be a very useful tool to fulfill these desirable requirements as well as a number of other important properties. During the last decades, many such instruments have been developed which are based on the absorption properties of the constituents in various regions of the electromagnetic spectrum, ranging from the far infrared to the ultraviolet. Among them, Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) has played an important role. DOAS is an established remote sensing technique for atmospheric trace gases probing, which identifies and quantifies the trace gases in the atmosphere taking advantage of their molecular absorption structures in the near UV and visible wavelengths of the electromagnetic spectrum (from 0.25 μm to 0.75 μm). Passive DOAS, in particular, can detect the presence of a trace gas in terms of its integrated concentration over the atmospheric path from the sun to the receiver (the so called slant column density). The receiver can be located at ground, as well as on board an aircraft or a satellite platform. Passive DOAS has, therefore, a flexible measurement configuration that allows multiple applications. The ability to properly interpret passive DOAS measurements of atmospheric constituents depends crucially on how well the optical path of light collected by the system is understood. This is because the final product of DOAS is the concentration of a particular species integrated along the path that radiation covers in the atmosphere. This path is not known a priori and can only be evaluated by Radiative Transfer Models (RTMs). These models are used to calculate the so called vertical column density of a given trace gas, which is obtained by dividing the measured slant column density to the so called air mass factor, which is used to quantify the enhancement of the light path length within the absorber layers. In the case of the standard DOAS set-up, in which radiation is collected along the vertical direction (zenith-sky DOAS), calculations of the air mass factor have been made using “simple” single scattering radiative transfer models. This configuration has its highest sensitivity in the stratosphere, in particular during twilight. This is the result of the large enhancement in stratospheric light path at dawn and dusk combined with a relatively short tropospheric path. In order to increase the sensitivity of the instrument towards tropospheric signals, measurements with the telescope pointing the horizon (offaxis DOAS) have to be performed. In this circumstances, the light path in the lower layers can become very long and necessitate the use of radiative transfer models including multiple scattering, the full treatment of atmospheric sphericity and refraction. In this thesis, a recent development in the well-established DOAS technique is described, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). The MAX-DOAS consists in the simultaneous use of several off-axis directions near the horizon: using this configuration, not only the sensitivity to tropospheric trace gases is greatly improved, but vertical profile information can also be retrieved by combining the simultaneous off-axis measurements with sophisticated RTM calculations and inversion techniques. In particular there is a need for a RTM which is capable of dealing with all the processes intervening along the light path, supporting all DOAS geometries used, and treating multiple scattering events with varying phase functions involved. To achieve these multiple goals a statistical approach based on the Monte Carlo technique should be used. A Monte Carlo RTM generates an ensemble of random photon paths between the light source and the detector, and uses these paths to reconstruct a remote sensing measurement. Within the present study, the Monte Carlo radiative transfer model PROMSAR (PROcessing of Multi-Scattered Atmospheric Radiation) has been developed and used to correctly interpret the slant column densities obtained from MAX-DOAS measurements. In order to derive the vertical concentration profile of a trace gas from its slant column measurement, the AMF is only one part in the quantitative retrieval process. One indispensable requirement is a robust approach to invert the measurements and obtain the unknown concentrations, the air mass factors being known. For this purpose, in the present thesis, we have used the Chahine relaxation method. Ground-based Multiple AXis DOAS, combined with appropriate radiative transfer models and inversion techniques, is a promising tool for atmospheric studies in the lower troposphere and boundary layer, including the retrieval of profile information with a good degree of vertical resolution. This thesis has presented an application of this powerful comprehensive tool for the study of a preserved natural Mediterranean area (the Castel Porziano Estate, located 20 km South-West of Rome) where pollution is transported from remote sources. Application of this tool in densely populated or industrial areas is beginning to look particularly fruitful and represents an important subject for future studies.

Development of oil spill detection techniques for satellite optical sensors and their application to monitor oil spill discharge in Mediterranean sea

Satellite remote sensing has proved to be an effective support in timely detection and monitoring of marine oil pollution, mainly due to illegal ship discharges. In this context, we have developed a new methodology and technique for optical oil spill detection, which make use of MODIS L2 and MERIS L1B satellite top of atmosphere (TOA) reflectance imagery, for the first time in a highly automated way. The main idea was combining wide swaths and short revisit times of optical sensors with SAR observations, generally used in oil spill monitoring. This arises from the necessity to overcome the SAR reduced coverage and long revisit time of the monitoring area. This can be done now, given the MODIS and MERIS higher spatial resolution with respect to older sensors (250-300 m vs. 1 km), which consents the identification of smaller spills deriving from illicit discharge at sea. The procedure to obtain identifiable spills in optical reflectance images involves removal of oceanic and atmospheric natural variability, in order to enhance oil-water contrast; image clustering, which purpose is to segment the oil spill eventually presents in the image; finally, the application of a set of criteria for the elimination of those features which look like spills (look-alikes). The final result is a classification of oil spill candidate regions by means of a score based on the above criteria.

Hyperspectral imaging and other optical techniques for (in-field/in-lab) physico-chemical attributes estimation of agri-food vegetal products

In the agri-food sector, measurement and monitoring activities contribute to high quality end products. In particular, considering food of plant origin, several product quality attributes can be monitored. Among the non-destructive measurement techniques, a large variety of optical techniques are available, including hyperspectral imaging (HSI) in the visible/near-infrared (Vis/NIR) range, which, due to the capacity to integrate image analysis and spectroscopy, proved particularly useful in agronomy and food science. Many published studies regarding HSI systems were carried out under controlled laboratory conditions. In contrast, few studies describe the application of HSI technology directly in the field, in particular for high-resolution proximal measurements carried out on the ground. Based on this background, the activities of the present PhD project were aimed at exploring and deepening knowledge in the application of optical techniques for the estimation of quality attributes of agri-food plant products. First, research activities on laboratory trials carried out on apricots and kiwis for the estimation of soluble solids content (SSC) and flesh firmness (FF) through HSI were reported; subsequently, FF was estimated on kiwis using a NIR-sensitive device; finally, the procyanidin content of red wine was estimated through a device based on the pulsed spectral sensitive photometry technique. In the second part, trials were carried out directly in the field to assess the degree of ripeness of red wine grapes by estimating SSC through HSI, and finally a method for the automatic selection of regions of interest in hyperspectral images of the vineyard was developed. The activities described above have revealed the potential of the optical techniques for sorting-line application; moreover, the application of the HSI technique directly in the field has proved particularly interesting, suggesting further investigations to solve a variety of problems arising from the many environmental variables that may affect the results of the analyses.

Simulation of optical observables for space missions to small bodies

The navigation of deep space spacecraft requires accurate measurement of the probe’s state and attitude with respect to a body whose ephemerides may not be known with good accuracy. The heliocentric state of the spacecraft is estimated through radiometric techniques (ranging, Doppler, and Delta-DOR), while optical observables can be introduced to improve the uncertainty in the relative position and attitude with respect to the target body. In this study, we analyze how simulated optical observables affect the estimation of parameters in an orbit determination problem, considering the case of the ESA’s Hera mission towards the binary asteroid system composed of Didymos and Dimorphos. To this extent, a shape model and a photometric function are used to create synthetic onboard camera images. Then, using a stereophotoclinometry technique on some of the simulated images, we create a database of maplets that describe the 3D geometry of the surface around a set of landmarks. The matching of maplets with the simulated images provides the optical observables, expressed as pixel coordinates in the camera frame, which are fed to an orbit determination filter to estimate a certain number of solve-for parameters. The noise introduced in the output optical observables by the image processing can be quantified using as a metric the quality of the residuals, which is used to fine-tune the maplet-matching parameters. In particular, the best results are obtained when using small maplets, with high correlation coefficients and occupation factors.

Functional engineering of hybrid heterostructures for application in electronic, optical and optoelectronic nanostructured devices

Interfacing materials with different intrinsic chemical-physical characteristics allows for the generation of a new system with multifunctional features. Here, this original concept is implemented for tailoring the functional properties of bi-dimensional black phosphorus (2D bP or phosphorene) and organic light-emitting transistors (OLETs). Phosphorene is highly reactive under atmospheric conditions and its small-area/lab-scale deposition techniques have hampered the introduction of this material in real-world applications so far. The protection of 2D bP against the oxygen by means of functionalization with alkane molecules and pyrene derivatives, showed long-term stability with respect to the bare 2D bP by avoiding remarkable oxidation up to 6 months, paving the way towards ultra-sensitive oxygen chemo-sensors. A new approach of deposition-precipitation heterogeneous reaction was developed to decorate 2D bP with Au nanoparticles (NP)s, obtaining a “stabilizer-free” that may broaden the possible applications of the 2D bP/Au NPs interface in catalysis and biodiagnostics. Finally, 2D bP was deposited by electrospray technique, obtaining oxidized-phosphorous flakes as wide as hundreds of µm2 and providing for the first time a phosphorous-based bidimensional system responsive to electromechanical stimuli. The second part of the thesis focuses on the study of organic heterostructures in ambipolar OLET devices, intriguing optoelectronic devices that couple the micro-scaled light-emission with electrical switching. Initially, an ambipolar single-layer OLET based on a multifunctional organic semiconductor, is presented. The bias-depending light-emission shifted within the transistor channel, as expected in well-balanced ambipolar OLETs. However, the emitted optical power of the single layer-based device was unsatisfactory. To improve optoelectronic performance of the device, a multilayer organic architecture based on hole-transporting semiconductor, emissive donor-acceptor blend and electron-transporting semiconductor was optimized. We showed that the introduction of a suitable electron-injecting layer at the interface between the electron-transporting and light-emission layers may enable a ≈ 2× improvement of efficiency at reduced applied bias.

Study of the tracking performance of a liquid Argon detector based on a novel optical imaging concept

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a long-baseline accelerator experiment designed to make a significant contribution to the study of neutrino oscillations with unprecedented sensitivity. The main goal of DUNE is the determination of the neutrino mass ordering and the leptonic CP violation phase, key parameters of the three-neutrino flavor mixing that have yet to be determined. An important component of the DUNE Near Detector complex is the System for on-Axis Neutrino Detection (SAND) apparatus, which will include GRAIN (GRanular Argon for Interactions of Neutrinos), a novel liquid Argon detector aimed at imaging neutrino interactions using only scintillation light. For this purpose, an innovative optical readout system based on Coded Aperture Masks is investigated. This dissertation aims to demonstrate the feasibility of reconstructing particle tracks and the topology of CCQE (Charged Current Quasi Elastic) neutrino events in GRAIN with such a technique. To this end, the development and implementation of a reconstruction algorithm based on Maximum Likelihood Expectation Maximization was carried out to directly obtain a three-dimensional distribution proportional to the energy deposited by charged particles crossing the LAr volume. This study includes the evaluation of the design of several camera configurations and the simulation of a multi-camera optical system in GRAIN.