Análise metabolômica do cérebro de abelhas (Apis mellifera) submetidas a ensaio de Reflexo de Extensão de Probóscide (REP)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo peptídico e determinação do perfil de metabólitos de venenos de escorpiões da família buthidae: Tityus serrulatus, Tityus bahiensis e Tityus obscurus

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A study of the anti-plasmodium activity of angiotensin II analogs

Controlling the dissemination of malaria requires the development of new drugs against its etiological agent, a protozoan of the Plasmodium genus. Angiotensin II and its analog peptides exhibit activity against the development of immature and mature sporozoites of Plasmodium gallinaceum. In this study, we report the synthesis and characterization of angiotensin II linear and cyclic analogs with anti-plasmodium activity. The peptides were synthesized by a conventional solid-phase method on Merrifield's resin using the t-Boc strategy, purified by RP-HPLC and characterized by liquid chromatography/ESI (+) MS (LC-ESI(+)/MS), amino acid analysis, and capillary electrophoresis. Anti-plasmodium activity was measured in vitro by fluorescence microscopy using propidium iodine uptake as an indicator of cellular damage. The activities of the linear and cyclic peptides are not significantly different (p < 0.05). Kinetics studies indicate that the effects of these peptides on plasmodium viability overtime exhibit a sigmoidal profile and that the system stabilizes after a period of 1 h for all peptides examined. The results were rationalized by partial least-square analysis, assessing the position-wise contribution of each amino acid. The highest contribution of polar amino acids and a Lys residue proximal to the C-terminus, as well as that of hydrophobic amino acids in the N-terminus, suggests that the mechanism underlying the anti-malarial activity of these peptides is attributed to its amphiphilic character.

Caratterizzazione mediante HPLC-MS di modifiche post-trasduzionali di proteine istoniche

Gli istoni sono proteine basiche che possono essere classificate in varie classi: H1, H2A, H2B, H3 e H4. Queste proteine formano l’ottamero proteico attorno al quale si avvolge il DNA per formare il nucleosoma che è l’unità fondamentale della cromatina. A livello delle code N-terminali, gli istoni possono essere soggetti a numerose modifiche posttraduzionali quali acetilazioni, metilazioni, fosforilazioni, ADP-ribosilazioni e ubiquitinazioni. Queste modifiche portano alla formazione di diversi siti di riconoscimento per diversi complessi enzimatici coinvolti in importanti processi come la riparazione e la replicazione del DNA e l’assemblaggio della cromatina. La più importante e la più studiata di queste modifiche è l’acetilazione che avviene a livello dei residui amminici della catena laterale dell’amminoacido lisina. I livelli corretti di acetilazione delle proteine istoniche sono mantenuti dall’attività combinata di due enzimi: istone acetil transferasi (HAT) e istone deacetilasi (HDAC). Gli enzimi appartenenti a questa famiglia possono essere suddivisi in varie classi a seconda delle loro diverse caratteristiche, quali la localizzazione cellulare, la dimensione, l’omologia strutturale e il meccanismo d’azione. Recentemente è stato osservato che livelli aberranti di HDAC sono coinvolti nella carcinogenesi; per questo motivo numerosi gruppi di ricerca sono interessati alla progettazione e alla sintesi di composti che siano in grado di inibire questa classe enzimatica. L’inibizione delle HDAC può infatti provocare arresto della crescita cellulare, apoptosi o morte cellulare. Per questo motivo la ricerca farmaceutica in campo antitumorale è mirata alla sintesi di inibitori selettivi verso le diverse classi di HDAC per sviluppare farmaci meno tossici e per cercare di comprendere con maggiore chiarezza il ruolo biologico di questi enzimi. Il potenziale antitumorale degli inibitori delle HDAC deriva infatti dalla loro capacità di interferire con diversi processi cellulari, generalmente non più controllati nelle cellule neoplastiche. Nella maggior parte dei casi l’attività antitumorale risiede nella capacità di attivare programmi di differenziamento, di inibire la progressione del ciclo cellulare e di indurre apoptosi. Inoltre sembra essere molto importante anche la capacità di attivare la risposta immunitaria e l’inibizione dell’angiogenesi. Gli inibitori delle HDAC possono essere a loro volta classificati in base alla struttura chimica, alla loro origine (naturale o sintetica), e alla loro capacità di inibire selettivamente le HDAC appartenenti a classi diverse. Non è ancora chiaro se la selettività di queste molecole verso una specifica classe di HDAC sia importante per ottenere un effetto antitumorale, ma sicuramente inibitori selettivi possono essere molto utili per investigare e chiarire il ruolo delle HDAC nei processi cellulari che portano all’insorgenza del tumore. Nel primo capitolo di questa tesi quindi è riportata un’introduzione sull’importanza delle proteine istoniche non solo da un punto di vista strutturale ma anche funzionale per il destino cellulare. Nel secondo capitolo è riportato lo stato dell’arte dell’analisi delle proteine istoniche che comprende sia i metodi tradizionali come il microsequenziamento e l’utilizzo di anticorpi, sia metodi più innovativi (RP-LC, HILIC, HPCE) ideati per poter essere accoppiati ad analisi mediante spettrometria di massa. Questa tecnica consente infatti di ottenere importanti e precise informazioni che possono aiutare sia a identificare gli istoni come proteine che a individuare i siti coinvolti nelle modifiche post-traduzionali. Nel capitolo 3 è riportata la prima parte del lavoro sperimentale di questa tesi volto alla caratterizzazione delle proteine istoniche mediante tecniche cromatografiche accoppiate alla spettrometria di massa. Nella prima fase del lavoro è stato messo a punto un nuovo metodo cromatografico HPLC che ha consentito di ottenere una buona separazione, alla linea di base, delle otto classi istoniche (H1-1, H1-2, H2A-1, H2A-2, H2B, H3-1, H3-2 e H4). La separazione HPLC delle proteine istoniche ha permesso di poter eseguire analisi accurate di spettrometria di massa mediante accoppiamento con un analizzatore a trappola ionica tramite la sorgente electrospray (ESI). E’ stato così possibile identificare e quantificare tutte le isoforme istoniche, che differiscono per il tipo e il numero di modifiche post-traduzionali alle quali sono soggette, previa estrazione da colture cellulari di HT29 (cancro del colon). Un’analisi così dettagliata delle isoforme non può essere ottenuta con i metodi immunologici e permette di eseguire un’indagine molto accurata delle modifiche delle proteine istoniche correlandole ai diversi stadi della progressione del ciclo e alla morte cellulare. Il metodo messo a punto è stato convalidato mediante analisi comparative che prevedono la stessa separazione cromatografica ma accoppiata a uno spettrometro di massa avente sorgente ESI e analizzatore Q-TOF, dotato di maggiore sensibilità e risoluzione. Successivamente, per identificare quali sono gli specifici amminoacidi coinvolti nelle diverse modifiche post-traduzionali, l’istone H4 è stato sottoposto a digestione enzimatica e successiva analisi mediante tecniche MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS. Queste analisi hanno permesso di identificare le specifiche lisine acetilate della coda N-terminale e la sequenza temporale di acetilazione delle lisine stesse. Nel quarto capitolo sono invece riportati gli studi di inibizione, mirati a caratterizzare le modifiche a carico delle proteine istoniche indotte da inibitori delle HDAC, dotati di diverso profilo di potenza e selettività. Dapprima Il metodo messo a punto per l’analisi delle proteine istoniche è stato applicato all’analisi di istoni estratti da cellule HT29 trattate con due noti inibitori delle HDAC, valproato e butirrato, somministrati alle cellule a dosi diverse, che corrispondono alle dosi con cui sono stati testati in vivo, per convalidare il metodo per studi di inibizione di composti incogniti. Successivamente, lo studio è proseguito con lo scopo di evidenziare effetti legati alla diversa potenza e selettività degli inibitori. Le cellule sono state trattate con due inibitori più potenti, SAHA e MS275, alla stessa concentrazione. In entrambi i casi il metodo messo a punto ha permesso di evidenziare l’aumento dei livelli di acetilazione indotto dal trattamento con gli inibitori; ha inoltre messo in luce differenti livelli di acetilazione. Ad esempio il SAHA, potente inibitore di tutte le classi di HDAC, ha prodotto un’estesa iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MS275 selettivo per la classe I di HDAC, ha prodotto modifiche molto più blande. E’ stato quindi deciso di applicare questo metodo per studiare la dose e la tempo-dipendenza dell’effetto di quattro diversi inibitori delle HDAC (SAHA, MS275, MC1855 e MC1568) sulle modifiche post-traduzionali di istoni estratti da cellule HT29. Questi inibitori differiscono oltre che per la struttura chimica anche per il profilo di selettività nei confronti delle HDAC appartenenti alle diverse classi. Sono stati condotti quindi studi di dose-dipendenza che hanno consentito di ottenere i valori di IC50 (concentrazione capace di ridurre della metà la quantità relativa dell’istone meno acetilato) caratteristici per ogni inibitore nei confronti di tutte le classi istoniche. E’ stata inoltre calcolata la percentuale massima di inibizione per ogni inibitore. Infine sono stati eseguiti studi di tempo-dipendenza. I risultati ottenuti da questi studi hanno permesso di correlare i livelli di acetilazione delle varie classi istoniche con la selettività d’azione e la struttura chimica degli inibitori somministrati alle cellule. In particolare, SAHA e MC1855, inibitori delle HDAC di classi I e II a struttura idrossamica, hanno causato l’iperacetilazione di tutte le proteine istoniche, mentre MC1568 (inibitore selettivo per HDAC di classe II) ha prodotto l’iperacetilazione solo di H4. Inoltre la potenza e la selettività degli inibitori nel provocare un aumento dei livelli di acetilazione a livello delle distinte classi istoniche è stata correlata al destino biologico della cellula, tramite studi di vitalità cellulare. E’ stato osservato che il SAHA e MC1855, inibitori potenti e non selettivi, somministrati alla coltura HT29 a dose 50 μM producono morte cellulare, mentre MS275 alla stessa dose produce accumulo citostatico in G1/G0. MC1568, invece, non produce effetti significatici sul ciclo cellulare. Questo studio ha perciò dimostrato che l’analisi tramite HPLC-ESI-MS delle proteine istoniche permette di caratterizzare finemente la potenza e la selettività di nuovi composti inibitori delle HDAC, prevedendone l’effetto sul ciclo cellulare. In maggiore dettaglio è risultato che l’iperacetilazione di H4 non è in grado di provocare modifiche significative sul ciclo cellulare. Questo metodo, insieme alle analisi MALDI-TOF e LC-ESI-MSMS che permettono di individuare l’ordine di acetilazione delle lisine della coda N-terminale, potrà fornire importanti informazioni sugli inibitori delle HDAC e potrà essere applicato per delineare la potenza, la selettività e il meccanismo di azione di nuovi potenziali inibitori di questa classe enzimatica in colture cellulari tumorali.

Mass spectrometry-based protein profiling strategies for biomarker discovery in liver and inflammatory bowel diseases

The study of protein expression profiles for biomarker discovery in serum and in mammalian cell populations needs the continuous improvement and combination of proteins/peptides separation techniques, mass spectrometry, statistical and bioinformatic approaches. In this thesis work two different mass spectrometry-based protein profiling strategies have been developed and applied to liver and inflammatory bowel diseases (IBDs) for the discovery of new biomarkers. The first of them, based on bulk solid-phase extraction combined with matrix-assisted laser desorption/ionization - Time of Flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) and chemometric analysis of serum samples, was applied to the study of serum protein expression profiles both in IBDs (Crohn’s disease and ulcerative colitis) and in liver diseases (cirrhosis, hepatocellular carcinoma, viral hepatitis). The approach allowed the enrichment of serum proteins/peptides due to the high interaction surface between analytes and solid phase and the high recovery due to the elution step performed directly on the MALDI-target plate. Furthermore the use of chemometric algorithm for the selection of the variables with higher discriminant power permitted to evaluate patterns of 20-30 proteins involved in the differentiation and classification of serum samples from healthy donors and diseased patients. These proteins profiles permit to discriminate among the pathologies with an optimum classification and prediction abilities. In particular in the study of inflammatory bowel diseases, after the analysis using C18 of 129 serum samples from healthy donors and Crohn’s disease, ulcerative colitis and inflammatory controls patients, a 90.7% of classification ability and a 72.9% prediction ability were obtained. In the study of liver diseases (hepatocellular carcinoma, viral hepatitis and cirrhosis) a 80.6% of prediction ability was achieved using IDA-Cu(II) as extraction procedure. The identification of the selected proteins by MALDITOF/ TOF MS analysis or by their selective enrichment followed by enzymatic digestion and MS/MS analysis may give useful information in order to identify new biomarkers involved in the diseases. The second mass spectrometry-based protein profiling strategy developed was based on a label-free liquid chromatography electrospray ionization quadrupole - time of flight differential analysis approach (LC ESI-QTOF MS), combined with targeted MS/MS analysis of only identified differences. The strategy was used for biomarker discovery in IBDs, and in particular of Crohn’s disease. The enriched serum peptidome and the subcellular fractions of intestinal epithelial cells (IECs) from healthy donors and Crohn’s disease patients were analysed. The combining of the low molecular weight serum proteins enrichment step and the LCMS approach allowed to evaluate a pattern of peptides derived from specific exoprotease activity in the coagulation and complement activation pathways. Among these peptides, particularly interesting was the discovery of clusters of peptides from fibrinopeptide A, Apolipoprotein E and A4, and complement C3 and C4. Further studies need to be performed to evaluate the specificity of these clusters and validate the results, in order to develop a rapid serum diagnostic test. The analysis by label-free LC ESI-QTOF MS differential analysis of the subcellular fractions of IECs from Crohn’s disease patients and healthy donors permitted to find many proteins that could be involved in the inflammation process. Among them heat shock protein 70, tryptase alpha-1 precursor and proteins whose upregulation can be explained by the increased activity of IECs in Crohn’s disease were identified. Follow-up studies for the validation of the results and the in-depth investigation of the inflammation pathways involved in the disease will be performed. Both the developed mass spectrometry-based protein profiling strategies have been proved to be useful tools for the discovery of disease biomarkers that need to be validated in further studies.

Proteomic analysis of ocular surface components by use of HPLC based mass spectrometric strategies

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Top Down (TD) und zwei Bottom Up (BU) MALDI/ESI Massenspektrometrie/HPLC-Methoden entwickelt mit dem Ziel Augenoberfächenkomponenten, d.h. Tränenfilm und Konjunktivalzellen zu analysieren. Dabei wurde ein detaillierter Einblick in die Entwicklungsschritte gegeben und die Ansätze auf Eignung und methodische Grenzen untersucht. Während der TD Ansatz vorwiegend Eignung zur Analyse von rohen, weitgehend unbearbeiteten Zellproben fand, konnten mittels des BU Ansatzes bearbeitete konjunktivale Zellen, aber auch Tränenfilm mit hoher Sensitivität und Genauigkeit proteomisch analysiert werden. Dabei konnten mittels LC MALDI BU-Methode mehr als 200 Tränenproteine und mittels der LC ESI Methode mehr als 1000 Tränen- sowie konjunktivale Zellproteine gelistet werden. Dabei unterschieden sich ESI- and MALDI- Methoden deutlich bezüglich der Quantität und Qualität der Ergebnisse, weshalb differente proteomische Anwendungsgebiete der beiden Methoden vorgeschlagen wurden. Weiterhin konnten mittels der entwickelten LC MALDI/ESI BU Plattform, basierend auf den Vorteilen gegenüber dem TD Ansatz, therapeutische Einflüsse auf die Augenoberfläche mit Fokus auf die topische Anwendung von Taurin sowie Taflotan® sine, untersucht werden. Für Taurin konnten entzündungshemmende Effekte, belegt durch dynamische Veränderungen des Tränenfilms, dokumentiert werden. Außerdem konnten vorteilhafte, konzentrationsabhängige Wirkweisen auch in Studien an konjunktival Zellen gezeigt werden. Für die Anwendung von konservierungsmittelfreien Taflotan® sine, konnte mittels LC ESI BU Analyse eine Regenerierung der Augenoberfläche in Patienten mit Primärem Offenwinkel Glaukom (POWG), welche unter einem “Trockenem Auge“ litten nach einem therapeutischen Wechsel von Xalatan® basierend auf dynamischen Tränenproteomveränderungen gezeigt werden. Die Ergebnisse konnten mittels Microarray (MA) Analysen bestätigt werden. Sowohl in den Taurin Studien, als auch in der Taflotan® sine Studie, konnten charakteristische Proteine der Augenoberfläche dokumentiert werden, welche eine objektive Bewertung des Gesundheitszustandes der Augenoberfläche ermöglichen. Eine Kombination von Taflotan® sine und Taurin wurde als mögliche Strategie zur Therapie des Trockenen Auges bei POWG Patienten vorgeschlagen und diskutiert.

Inhibition of bacterial degradation of EtG by collection as dried urine spots (DUS)

Ethyl glucuronide (EtG) and ethyl sulfate (EtS) are direct alcohol consumption markers widely used nowadays for clinical and forensic applications. They are detectable in blood and urine even after consumption of trace amounts of ethanol and for a longer time frame, being detectable even when no more ethanol is present. The instability of EtG against bacterial degradation in contaminated urine samples and/or the possible postcollection synthesis of this metabolite in samples containing, e.g., Escherichia coli and ethanol, may cause false identification of alcohol uptake. Therefore, it is of paramount importance to constrict these error sources by inhibition of any bacterial growth causing hydrolization or synthesis of EtG. This study evaluates a new method of collecting urine samples on filter paper, dried urine spots (DUS), for simultaneous detection of EtG, EtS and creatinine, having the great advantage of inhibiting bacterial activity. In addition, a method validation for the determination of EtG and EtS in DUS was performed according to the FDA guidelines. Sterile-filtered urine was spiked with EtG and EtS, inoculated with E. coli and incubated. Liquid and dried urine samples were collected after various time intervals up to 96 h. Liquid samples were frozen immediately after collection, whereas aliquots for DUS were pipetted onto filter paper, allowed to dry and stored at RT until analysis 1 week after. The specimens were analyzed by LC-ESI-MS/MS. As expected, degradation of EtG, but not of EtS, was observed in contaminated liquid urine samples. However, the specimens collected on filter paper and stored at RT showed no degradation during storage. Therefore, collecting urine samples on filter paper for EtG and EtS analysis turns out to be a reliable method to avoid bacterial degradation of EtG and EtS, and consequently, stabilization of these ethanol metabolites is achieved. In addition, simultaneous measurement of creatinine content as an indicator of urine dilution helps to interpret the results. Method validation for EtG and EtS in DUS was satisfactory, showing the linearity of the calibration curves in the studied concentration range, good precision, accuracy and selectivity.

Ethyl sulphate and ethyl glucuronide in vitreous humor as postmortem evidence marker for ethanol consumption prior to death

To clarify the circumstances of death, the degree of inebriation is of importance in many cases, but for several reasons the determination of the ethanol concentration in post-mortem samples can be challenging and the synopsis of ethanol and the direct consumption markers ethyl glucuronide (EtG) and ethyl sulphate (EtS) has proved to be useful. The use of a rather stable matrix like vitreous humor offers further advantages. The aim of this study was to determine the concentrations of ethanol and the biomarkers in the robust matrix of vitreous humor and to compare them with the respective levels in peripheral venous blood and urine. Samples of urine, blood from the femoral vein and vitreous humor were taken from 26 deceased with suspected ethanol consumption prior to death and analyzed for ethanol, EtS and EtG. In the urine samples creatinine was also determined. The personal data, the circumstances of death, the post-mortem interval and the information about ethanol consumption prior to death were recorded. EtG and EtS analysis in urine was performed by LC-ESI-MS/MS, creatinine concentration was determined using the Jaffé reaction and ethanol was detected by HS-GC-FID and by an ADH-based method. In general, the highest concentrations of the analytes were found in urine and showed statistical significance. The mean concentrations of EtG were 62.8mg/L (EtG100 206.5mg/L) in urine, 4.3mg/L in blood and 2.1mg/L in vitreous humor. EtS was found in the following mean concentrations: 54.6mg/L in urine (EtS100 123.1mg/L), 1.8mg/L in blood and 0.9mg/L in vitreous humor. Ethanol was detected in more vitreous humor samples (mean concentration 2.0g/kg) than in blood and urine (mean concentration 1.6g/kg and 2.1g/kg respectively). There was no correlation between the ethanol and the marker concentrations and no statistical conclusions could be drawn between the markers and matrices.

Determination of Ethyl glucuronide and Ethyl sulfate from dried blood spots

BACKGROUND: Ethyl glucuronide (EtG) and ethyl sulfate (EtS) are non-oxidative minor metabolites of ethanol. They are detectable in various body fluids shortly after initial consumption of ethanol and have a longer detection time frame than the parent compound. They are regarded highly sensitive and specific markers of recent alcohol uptake. This study evaluates the determination of EtG and EtS from dried blood spots (DBS), a simple and cost-effective sampling method that would shorten the time gap between offense and blood sampling and lead to a better reflectance of the actual impairment. METHODS: For method validation, EtG and EtS standard and quality control samples were prepared in fresh human heparinized blood and spotted on DBS cards, then extracted and measured by an LC-ESI-MS/MS method. Additionally, 76 heparinized blood samples from traffic offense cases were analyzed for EtG and EtS as whole blood and as DBS specimens. The results from these measurements were then compared by calculating the respective mean values, by a matched-paired t test, by a Wilcoxon test, and by Bland-Altman and Mountain plots. RESULTS AND DISCUSSION: Calibrations for EtG and EtS in DBS were linear over the studied calibration range. The precision and accuracy of the method met the requirements of the validation guidelines that were employed in the study. The stability of the biomarkers stored as DBS was demonstrated under different storage conditions. The t test showed no significant difference between whole blood and DBS in the determination of EtG and EtS. In addition, the Bland-Altman analysis and Mountain plot confirmed that the concentration differences that were measured in DBS specimens were not relevant.

Structural elucidation and antisense properties of a sugar-modified DNA analogue

Antisense oligonucleotides deserve great attention as potential drug candidates for the treatment of genetic disorders. For example, muscle dystrophy can be treated successfully in mice by antisense-induced exon skipping in the pre-mRNA coding for the structural protein dystrophin in muscle cells. For this purpose a sugar- and backbone-modified DNA analogue was designed, in which a tricyclic ring system substitutes the deoxyribose. These chemical modifications stabilize the dimers formed with the targeted RNA relative to native nucleic acid duplexes and increase the biostability of the antisense oligonucleotide. While evading enzymatic degradation constitutes an essential property of antisense oligonucleotides for therapeutic application, it renders the oligonucleotide inaccessible to biochemical sequencing techniques and requires the development of alternative methods based on mass spectrometry. The set of sequences studied includes tcDNA oligonucleotides ranging from 10 to 15 nucleotides in length as well as their hybrid duplexes with DNA and RNA complements. All samples were analyzed on a LTQ Orbitrap XL instrument equipped with a nano-electrospray source. For tandem mass spectrometric experiments collision-induced dissociation was performed, using helium as collision gas. Mass spectrometric sequencing of tcDNA oligomers manifests the applicability of the technique to substrates beyond the scope of enzyme-based methods. Sequencing requires the formation of characteristic backbone fragments, which take the form of a-B- and w-ions in the product ion spectra of tcDNA. These types of product ions are typically associated with unmodified DNA, which suggests a DNA-like fragmentation mechanism in tcDNA. The loss of nucleobases constitutes the second prevalent dissociation pathway observed in tcDNA. Comparison of partially and fully modified oligonucleotides indicates a pronounced impact of the sugar-moiety on the base loss. As this event initiates cleavage of the backbone, the presented results provide new mechanistic insights into the fragmentation of DNA in the gas-phase. The influence of the sugar-moiety on the dissociation extends to tcDNA:DNA and tcDNA:RNA hybrid duplexes, where base loss was found to be much more prominent from sugar-modified oligonucleotides than from their natural complements. Further prominent dissociation channels are strand separation and backbone cleavage of the single strands, as well as the ejection of backbone fragments from the intact duplex. The latter pathway depends noticeably on the base sequence. Moreover, it gives evidence of the high stability of the hybrid dimers, and thus directly reflects the affinity of tcDNA for its target in the cell. As the cellular target of tcDNA is a pre-mRNA, the structure was designed to discriminate RNA from DNA complements, which could be demonstrated by mass spectrometric experiments.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Estudo do exossomo de Archaea e de sua interação com a proteína reguladora PaNip7

O exossomo é um complexo multiproteico conservado evolutivamente de archaea a eucariotos superiores que desempenha funções celulares essenciais tais como: atividade exoribonucleolítica 3\'→5\', regulação dos níveis de mRNA, maturação de RNAs estruturais e controle de qualidade de RNAs durante os vários estágios do mecanismo de expressão gênica. Em Archaea, o exossomo é composto por até quatro subunidades diferentes, duas com domínios de RNase PH, aRrp41 e aRrp42, e duas com domínios de ligação a RNAs, aCsl4 e aRrp4. Três cópias das proteínas aRrp4 e/ou aCsl4 se associam com o núcleo hexamérico catalítico do anel de RNase PH e completam a formação do complexo. A proteína PaNip7 é um cofator de regulação do exossomo da archaea Pyrococcus abyssi e atua na inibição do complexo enzimático ligando-se simultaneamente ao exossomo e a RNAs. Neste projeto, a reconstituição in vitro do exossomo da archaea Pyrococcus abyssi formado pela proteína de topo PaCsl4 foi obtida. Para tanto foram realizadas análises de interação proteica usando as técnicas de cromatografia de afinidade, gel filtração e SDS-PAGE. Em adição à formação da isoforma PaCsl4-exossomo, um fragmento peptídico correspondente à região C-terminal da PaNip7 foi sintetizado pelo método da fase sólida, purificado por RP-HPLC e o purificado foi caracterizado por LC/ESI-MS almejando realizar futuros experimentos de interação com o exossomo.

Compostos fenólicos de resíduos agroindustriais: identificação, propriedades biológicas e aplicação em matriz alimentar de base lipídica

A geração de resíduos sólidos pelas atividades agroindustriais tem criado a demanda por um reaproveitamento tecnológico desses materiais. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial bioativo e tecnológico de resíduos agroindustriais, como fontes naturais de compostos fenólicos com atividade antioxidante. Foram analisados resíduos agroindustriais vinícolas, de indústrias produtoras de polpas congeladas de frutas (açaí, cajá, cupuaçu e graviola) e provenientes do beneficiamento de café e de laranja. Inicialmente, foi realizado um estudo para a determinação das condições ótimas de extração, empregando planejamento experimental multivariado com delineamento composto central rotacional, cujos resultados foram avaliados empregando a técnica de superfície de resposta. Na sequência, foram feitos a triagem dos resíduos, baseada na atividade antioxidante, e a caracterização fenólica dos extratos hidroalcoólicos obtidos dos resíduos agroindustriais. De acordo com os resultados de atividade antioxidante, engaço de uva da variedade Chenin Blanc (EC) e semente de açaí (SA) foram os resíduos selecionados, os quais seguiram para as etapas de concentração e fracionamento bioguiado de sua(s) molécula(s) bioativa(s), as quais foram posteriormente identificadas por UHPLC-ESI-LTQ-MS. Extratos brutos e concentrados foram avaliados in vitro quanto à capacidade de desativação de espécies reativas de oxigênio (radicais peroxila, ânion superóxido e ácido hipocloroso) e então, aplicados em óleo de soja, emulsão e suspensão de lipossomos, a fim de se avaliar a efetividade desses extratos como antioxidante natural em matrizes lipídicas. Concentrações intermediárias de etanol (40-60%) e alta temperatura (96°C), exceto para semente de açaí (25°C), foram as condições ótimas para a extração de antioxidantes dos resíduos agroindustriais. Epicatequina, ácido gálico, catequina e procianidina B1 foram os compostos de maior ocorrência, quando avaliados pela técnica de HPLC-DAD. O EC apresentou a maior atividade antioxidante global e SA a maior atividade entre os resíduos de polpas de frutas, laranja e café. A concentração dos extratos brutos de EC e SA, pela resina Amberlite XAD®-2, produziu aumento significativo da atividade antioxidante. Além disso, extratos brutos e concentrados apresentaram atividade antiproliferativa e anti-inflamatória. Os extratos concentrados foram fracionados por meio de Sephadex LH-20, a partir da qual foi possível identificar quatro frações de maior bioatividade para o EC e três para o SA. Procianidina B1, catequina, epicatequina e resveratrol foram identificados no extrato concentrado e frações de EC. Dezoito procianidinas poliméricas, catequina, epicatequina foram os principais compostos identificados em SA, por meio de UHPLC-ESI-LTQ-MS. Resveratrol também foi encontrado em SA pela primeira vez. Quando avaliados em óleo de soja, EC e SA demonstraram atividade pro-oxidante. Contudo, elevada atividade antioxidante foi verificada quando essas amostras foram aplicadas em sistemas lipídicos coloidais, pois retardaram o consumo de oxigênio em uma emulsão óleo/água e o período de indução na produção de dienos conjugados em uma suspensão de lipossomos. Portanto, os resíduos agroindustriais EC e SA possuem potencial tecnológico de reaproveitamento industrial podendo ser considerados possíveis matérias-primas para a obtenção de extratos ricos em antioxidantes ou pela extração de antioxidantes naturais de uso pelas indústrias farmacêutica e/ou de alimentos.

Lesões em DNA promovidas por produtos de oxidação do β-caroteno: possíveis implicações biológicas

Apesar de diversos estudos in vitro e em populações indicarem um efeito protetor do β-caroteno em sistemas biológicos, estudos epidemiológicos como o \"The Alpha-Tocopherol, Beta-Carotene Cancer Prevention Study\" (ATBC) e o \"The Beta-Carotene and Retinol Efficacy Trial\" (CARET) mostraram um aumento na incidência de câncer pulmonar em indivíduos fumantes suplementados com β-caroteno. Essa ação contraditória tem sido chamada na literatura de \"Paradoxo do β-Caroteno\". Sabe-se que este carotenóide sob altas pressões de oxigênio ou na presença de peróxidos pode sofrer oxidação e levar a formação de compostos como aldeídos, epóxidos, etc, que são capazes de se adicionarem covalentemente ao DNA. Estudos, in vitro e in vivo têm demonstrado a possibilidade de os metabólitos do β-caroteno agirem como agentes pró-carcinogênicos. Estes agentes quando ativados quimicamente podem levar à formação de adutos de DNA. Já se sabe que alguns desses adutos encontramse em níveis aumentados em diversas situações de risco de câncer. Diversos grupos, incluindo o nosso, têm demonstrado a formação de lesões em DNA a partir de aldeídos e epóxidos exógenos ou gerados endogenamente. O presente trabalho mostra que a reação do β-caroteno e dois de seus produtos de oxidação, retinal e β-apo-8\'-carotenal, com 2\'-desoxiguanosina e DNA leva à formação de adutos. Dentre os adutos formados, foi caracterizado o aduto 1,N2eteno-2\'-desoxiguanosina (1 ,N2-εdGuo). Os níveis de outro aduto de DNA, a 8-oxo-7,8-dihidro-2\'-deoxiguanosina (8-oxodGuo), também foram monitoradas para estudo comparativo. A formação dos adutos também foi verificada em fibroblastos normais de pulmão humano (linhagem IMR-90) expostos ao β-caroteno e aos seus produtos de oxidação. Experimentos com ratos suplementados com β-caroteno e expostos à fumaça de cigarro em períodos de 7, 30 e 180 dias, mostraram níveis aumentados de 1,N2-εdGuo nos animais suplementados com o carotenóide comparado ao grupo veículo. Aumento no nível de 8-oxodGuo também foi verificado nos tratamentos de 7 e 180 dias. Um aumento significativo no nível do eteno aduto também foi verificado nos animais suplementados com β-caroteno e expostos à fumaça de cigarro, comparado ao grupo apenas exposto à fumaça após 7 e 180 dias de exposição. Nestes mesmos grupos, o aumento do 8-oxodGuo só foi observado no tratamento por 180 dias. Sabendo que estas lesões são comprovadamente mutagênicas, nossos estudos podem contribuir para o esclarecimento dos mecanismos envolvidos na formação de câncer em fumantes suplementados ou não com β-caroteno.

Performance of five different electrospray ionisation sources in conjunction with rapid monolithic column liquid chromatography and fast MS/MS scanning

The performances of five different ESI sources coupled to a polystyrene-divinylbenzene monolithic column were compared in a series of LC-ESI-MS/MS analyses of Escherichia coli outer membrane proteins. The sources selected for comparison included two different modifications of the standard electrospray source, a commercial low-flow sprayer, a stainless steel nanospray needle and a coated glass Picotip. Respective performances were judged on sensitivity and the number and reproducibility of significant protein identifications obtained through the analysis of multiple identical samples. Data quality varied between that of a ground silica capillary, with 160 total protein identifications, the lowest number of high quality peptide hits obtained (3012), and generally peaks of lower intensity; and a stainless steel nanospray needle, which resulted in increased precursor ion abundance, the highest-quality peptide fragmentation spectra (5414) and greatest number of total protein identifications (259) exhibiting the highest MASCOT scores (average increase in score of 27.5% per identified protein). The data presented show that, despite increased variability in comparative ion intensity, the stainless steel nanospray needle provides the highest overall sensitivity. However, the resulting data were less reproducible in terms of proteins identified in complex mixtures -- arguably due to an increased number of high intensity precursor ion candidates.