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.

Garlic extract induces intestinal P-glycoprotein, but exhibits no effect on intestinal and hepatic CYP3A4 in humans

Garlic extracts have been shown to decrease drug exposure for saquinavir, a P-glycoprotein and cytochrome P450 3A4 substrate. In order to explore the underlying mechanisms and to study the effects of garlic on pre-systemic drug elimination, healthy volunteers were administered garlic extract for 21 days. Prior to and at the end of this period, expression of duodenal P-glycoprotein and cytochrome P450 3A4 protein were assayed and normalized to villin, while hepatic cytochrome P450 3A4 function and simvastatin, pravastatin and saquinavir pharmacokinetics were also evaluated. Ingestion of garlic extract increased expression of duodenal P-glycoprotein to 131% (95% CI, 105-163%), without increasing the expression of cytochrome P450 3A4 which amounted to 87% (95% CI, 67-112%), relative to baseline in both cases. For the erythromycin breath test performed, the average result was 96% (95% CI, 83-112%). Ingestion of garlic extract had no effect on drug and metabolite AUCs following a single dose of simvastatin or pravastatin, although the average area under the plasma concentration curve (AUC) of saquinavir decreased to 85% (95% CI, 66-109%), and changes in intestinal P-glycoprotein expression negatively correlated with this change. In conclusion, garlic extract induces intestinal expression of P-glycoprotein independent of cytochrome P450 3A4 in human intestine and liver.

Outcomes of patients on dual-boosted PI regimens: experience of the Swiss HIV cohort study

Dual-boosted protease inhibitors (DBPI) are an option for salvage therapy for HIV-1 resistant patients. Patients receiving a DBPI in the Swiss HIV Cohort Study between January1996 and March 2007 were studied. Outcomes of interest were viral suppression at 24 weeks. 295 patients (72.5%) were on DBPI for over 6 months. The median duration was 2.2 years. Of 287 patients who had HIV-RNA >400?copies/ml at the start of the regimen, 184 (64.1%) were ever suppressed while on DBPI and 156 (54.4%) were suppressed within 24 weeks. The median time to suppression was 101 days (95% confidence interval 90-125 days). The median number of past regimens was 6 (IQR, 3-8). The main reasons for discontinuing the regimen were patient's wish (48.3%), treatment failure (22.5%), and toxicity (15.8%). Acquisition of HIV through intravenous drug use and the use of lopinavir in combination with saquinavir or atazanavir were associated with an increased likelihood of suppression within 6 months. Patients on DBPI are heavily treatment experienced. Viral suppression within 6 months was achieved in more than half of the patients. There may be a place for DBPI regimens in settings where more expensive alternates are not available.

Are plasma levels valid surrogates for cellular concentrations of antiretroviral drugs in HIV-infected patients?

Total plasma concentrations are currently measured for therapeutic drug monitoring of HIV protease inhibitors (PIs) and nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTIs). However, the pharmacological target of antiretroviral drugs reside inside cells. To study the variability of their cellular accumulation, and to determine to which extent total plasma concentrations (TPC) correlate with cellular concentrations (CC), plasma and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were simultaneously collected at single random times after drug intake from 133 HIV infected patients. TPC levels were analysed by high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection and CC by LC-MS/MS from peripheral blood mononuclear cells. The best correlations between TPC and CC were observed for nelfinavir (NFV, slope=0.93, r=0.85), saquinavir (SQV, slope=0.76, r=0.80) and lopinavir (LPV, slope=0.87, r=0.63). By contrast, TPC of efavirenz (EFV) exhibited a moderate correlation with CC (slope=0.69, r=0.58), while no correlation was found for nevirapine (NVP, slope=-0.3, r=0.1). Interindividual variability in the CC/TPC ratio was lower for protease inhibitors (coefficients of variation 76%, 61%, and 80% for SQV, NFV and LPV, respectively) than for nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors (coefficients of variation 101% and 318%, for EFV and NVP). As routine CC measurement raises practical difficulties, well-correlated plasma concentrations (ie, NFV, SQV and LPV) can probably be considered as appropriate surrogates for cellular drug exposure. For drugs such as EFV or NVP, there may be room for therapeutic drug monitoring improvement using either direct CC determination or other predictive factors such as genotyping of transporters or metabolizing enzyme genes.

Rates of disease progression according to initial highly active antiretroviral therapy regimen: a collaborative analysis of 12 prospective cohort studies

BACKGROUND: No large clinical end-point trials have been conducted comparing regimens among human immunodeficiency virus type 1-positive persons starting antiretroviral therapy. We examined clinical progression according to initial regimen in the Antiretroviral Therapy Cohort Collaboration, which is based on 12 European and North American cohort studies. METHODS: We analyzed progression to death from any cause and to AIDS or death (AIDS/death), comparing efavirenz (EFV), nevirapine (NVP), nelfinavir, idinavir, ritonavir (RTV), RTV-boosted protease inhibitors (PIs), saquinavir, and abacavir. We also compared nucleoside reverse-transcriptase inhibitor pairs: zidovudine/lamivudine (AZT/3TC), stavudine (D4T)/3TC, D4T/didanosine (DDI), and others. RESULTS: A total of 17,666 treatment-naive patients, 55,622 person-years at risk, 1,617 new AIDS events, and 895 deaths were analyzed. Compared with EFV, the adjusted hazard ratio (HR) for AIDS/death was 1.28 (95% confidence interval [CI], 1.03-1.60) for NVP, 1.31 (95% CI, 1.01-1.71) for RTV, and 1.45 (95% CI, 1.15-1.81) for RTV-boosted PIs. For death, the adjusted HR for NVP was 1.65 (95% CI, 1.16-2.36). The adjusted HR for death for D4T/3TC was 1.35 (95% CI, 1.14-1.59), compared with AZT/3TC. CONCLUSIONS: Outcomes may vary across initial regimens. Results are observational and may have been affected by bias due to unmeasured or residual confounding. There is a need for large, randomized, clinical end-point trials.

Gilbert syndrome and the development of antiretroviral therapy-associated hyperbilirubinemia

BACKGROUND: Unconjugated hyperbilirubinemia results from Gilbert syndrome and from antiretroviral therapy (ART) containing protease inhibitors. An understanding of the interaction between genetic predisposition and ART may help to identify individuals at highest risk for developing jaundice. METHODS: We quantified the contribution of UGT1A1*28 and ART to hyperbilirubinemia by longitudinally modeling 1386 total bilirubin levels in 96 human immunodeficiency virus (HIV)-infected individuals during a median of 6 years. RESULTS: The estimated average bilirubin level was 8.8 micromol/L (0.51 mg/dL). Atazanavir increased bilirubin levels by 15 mu mol/L (0.87 mg/dL), and indinavir increased bilirubin levels by 8 micromol/L (0.46 mg/dL). Ritonavir, lopinavir, saquinavir, and nelfinavir had no or minimal effect on bilirubin levels. Homozygous UGT1A1*28 increased bilirubin levels by 5.2 micromol/L (0.3 mg/dL). As a consequence, 67% of individuals homozygous for UGT1A1*28 and receiving atazanavir or indinavir had > or =2 episodes of hyperbilirubinemia in the jaundice range (>43 micromol/L [>2.5 mg/dL]), versus 7% of those with the common allele and not receiving either of those protease inhibitors (P<.001). Efavirenz resulted in decreased bilirubin levels, which is consistent with the induction of UDP-glucuronosyltransferase 1A1. CONCLUSIONS: Genotyping for UGT1A1*28 before initiation of ART would identify HIV-infected individuals at risk for hyperbilirubinemia and decrease episodes of jaundice.

Catalytic efficiency and vitality of HIV-1 proteases from African viral subtypes

The vast majority of HIV-1 infections in Africa are caused by the A and C viral subtypes rather than the B subtype prevalent in the United States and Western Europe. Genomic differences between subtypes give rise to sequence variations in the encoded proteins, including the HIV-1 protease. Because some amino acid polymorphisms occur at sites that have been associated with drug resistance in the B subtype, it is important to assess the effectiveness of protease inhibitors that have been developed against different subtypes. Here we report the enzymatic characterization of HIV-1 proteases with sequences found in drug-naïve Ugandan adults. The A protease used in these studies differs in seven positions (I13V/E35D/M36I/R41K/R57K/H69K/L89M) in relation to the consensus B subtype protease. Another protease containing a subset of these amino acid polymorphisms (M36I/R41K/H69K/L89M), which are found in subtype C and other HIV subtypes, also was studied. Both proteases were found to have similar catalytic constants, kcat, as the B subtype. The C subtype protease displayed lower Km values against two different substrates resulting in a higher (2.4-fold) catalytic efficiency than the B subtype protease. Indinavir, ritonavir, saquinavir, and nelfinavir inhibit the A and C subtype proteases with 2.5–7-fold and 2–4.5-fold weaker Kis than the B subtype. When all factors are taken into consideration it is found that the C subtype protease has the highest vitality (4–11 higher than the B subtype) whereas the A subtype protease exhibits values ranging between 1.5 and 5. These results point to a higher biochemical fitness of the A and C proteases in the presence of existing inhibitors.

Human immunodeficiency virus type 1 viral background plays a major role in development of resistance to protease inhibitors.

The observed in vitro and in vivo benefit of combination treatment with anti-human immunodeficiency virus (HIV) agents prompted us to examine the potential of resistance development when two protease inhibitors are used concurrently. Recombinant HIV-1 (NL4-3) proteases containing combined resistance mutations associated with BMS-186318 and A-77003 (or saquinavir) were either inactive or had impaired enzyme activity. Subsequent construction of HIV-1 (NL4-3) proviral clones containing the same mutations yielded viruses that were severely impaired in growth or nonviable, confirming that combination therapy may be advantageous. However, passage of BMS-186318-resistant HIV-1 (RF) in the presence of either saquinavir or SC52151, which represented sequential drug treatment, produced viable viruses resistant to both BMS-186318 and the second compound. The predominant breakthrough virus contained the G48V/A71T/V82A protease mutations. The clone-purified RF (G48V/A71T/V82A) virus, unlike the corresponding defective NL4-3 triple mutant, grew well and displayed cross-resistance to four distinct protease inhibitors. Chimeric virus and in vitro mutagenesis studies indicated that the RF-specific protease sequence, specifically the Ile at residue 10, enabled the NL4-3 strain with the triple mutant to grow. Our results clearly indicate that viral genetic background will play a key role in determining whether cross-resistance variants will arise.

Antiretrovirals as antimalarial agents

Recent studies have indicated that antiretroviral protease inhibitors may affect outcome in malarial disease. We have investigated the antimalarial activities of 6 commonly used antiretroviral agents. Our data indicate that, in addition to the previously published effects on cytoadherence and phagocytosis, the human immunodeficiency virus (HIV)-1 protease inhibitors saquinavir, ritonavir, and indinavir directly inhibit the growth of Plasmodium falciparum in vitro at clinically relevant concentrations. These findings are particularly important in light of both the high rate of malaria and HIV-1 coinfection in sub-Saharan Africa and the effort to employ highly active antiretroviral therapy in these regions.

Potencies of human immunodeficiency virus protease inhibitors in vitro against Plasmodium falciparum and in vivo against murine malaria

Parasite resistance to antimalarial drugs is a serious threat to human health, and novel agents that act on enzymes essential for parasite metabolism, such as proteases, are attractive targets for drug development. Recent studies have shown that clinically utilized human immunodeficiency virus (HIV) protease inhibitors can inhibit the in vitro growth of Plasmodium falciparum at or below concentrations found in human plasma after oral drug administration. The most potent in vitro antimalarial effects have been obtained for parasites treated with saquinavir, ritonavir, or lopinavir, findings confirmed in this study for a genetically distinct P. falciparum line (3D7). To investigate the potential in vivo activity of antiretroviral protease inhibitors (ARPIs) against malaria, we examined the effect of ARPI combinations in a murine model of malaria. In mice infected with Plasmodium chabaudi AS and treated orally with ritonavir-saquinavir or ritonavir-lopinavir, a delay in patency and a significant attenuation of parasitemia were observed. Using modeling and ligand docking studies we examined putative ligand binding sites of ARPIs in aspartyl proteases of P. falciparum (plasmepsins II and IV) and P. chabaudi (plasmepsin) and found that these in silico analyses support the antimalarial activity hypothesized to be mediated through inhibition of these enzymes. In addition, in vitro enzyme assays demonstrated that P. falciparum plasmepsins II and IV are both inhibited by the ARPIs saquinavir, ritonavir, and lopinavir. The combined results suggest that ARPIs have useful antimalarial activity that may be especially relevant in geographical regions where HIV and P. falciparum infections are both endemic.

Nanostructured lipid carriers as vehicles for the delivery of poorly water-soluble drugs

186 p.