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.

L’emergere del periurbano: il caso di Bologna

The rationale behind this piece of research is to study the movement of people from Bologna city centre to its outskirts and to find out what type of people are subject to move and the reasons for this: are they forced into or do they choose to do so? The present study will also consider how people commute from home to the city centre and the effect this has on them. For the purpose of this work, attention will be drawn to the possibility of these outer areas to develop in such a way that people will no longer need to commute to the city in order to recreate the advantages this offers to them (e.g. shops, job opportunities, ext). The theoretical framework this doctorial work is based upon concerns historical, urbanist, sociological and demographic approaches, along with the fact that the hegemony of the city centre has been benefiting has decreased. Historical centres and the central poles of metropolitan systems have lost their functional and symbolic relevance. More specifically, the Bologna Area is undergoing two tendencies: the first one is a process of residential decentralization from the capital town, capable of involving a plurality of social groups, which caused an enrichment of the social composition of "suburban" population. The second process is a partial substitution of the population in the city centre with new groups: this not only occurred with directional groups, but it has also interested new parts of the “service worker” class and members of metropolitan underclass, causing, consequentially, a growing complexity in central areas of the metropolitan system. The need to increase knowledge of Bologna territory has become more and more relevant, since the 70’s, when a series of important environmental transformations favoured a research interest that did not exclusively stopped within the city centre boarders, but rather encouraged the exploration of Bologna outer/suburban areas. Finally, in the urban/suburban discourse, this piece of research has highlighted how the search for a better quality of life (financial reasons, larger spaces, possibility to buy/rent for a better price, environmental issues) determines the choice to leave the centre of the city in favour of outer areas. The tendency that this doctorial work has brought to surface is the need to match a more manageable standard of living to the proximity to the city, despite the fact that this results in the stress caused to commuting and the lack of those cultural and entertaining facilities offered by the city. The new suburban inhabitants do not regret leaving the city, but, at the same time, do not feel emotionally attached to the new location at a community level: what they seem to look for is a more comfortable environment where to live in.

Adaptive multiscale biological signal processing

Biological processes are very complex mechanisms, most of them being accompanied by or manifested as signals that reflect their essential characteristics and qualities. The development of diagnostic techniques based on signal and image acquisition from the human body is commonly retained as one of the propelling factors in the advancements in medicine and biosciences recorded in the recent past. It is a fact that the instruments used for biological signal and image recording, like any other acquisition system, are affected by non-idealities which, by different degrees, negatively impact on the accuracy of the recording. This work discusses how it is possible to attenuate, and ideally to remove, these effects, with a particular attention toward ultrasound imaging and extracellular recordings. Original algorithms developed during the Ph.D. research activity will be examined and compared to ones in literature tackling the same problems; results will be drawn on the base of comparative tests on both synthetic and in-vivo acquisitions, evaluating standard metrics in the respective field of application. All the developed algorithms share an adaptive approach to signal analysis, meaning that their behavior is not dependent only on designer choices, but driven by input signal characteristics too. Performance comparisons following the state of the art concerning image quality assessment, contrast gain estimation and resolution gain quantification as well as visual inspection highlighted very good results featured by the proposed ultrasound image deconvolution and restoring algorithms: axial resolution up to 5 times better than algorithms in literature are possible. Concerning extracellular recordings, the results of the proposed denoising technique compared to other signal processing algorithms pointed out an improvement of the state of the art of almost 4 dB.

Spectrum shaping and its application: spread-spectrum clock generator and circuits for ultra wide band

Electromagnetic spectrum can be identified as a resource for the designer, as well as for the manufacturer, from two complementary points of view: first, because it is a good in great demand by many different kind of applications; second, because despite its scarce availability, it may be advantageous to use more spectrum than necessary. This is the case of Spread-Spectrum Systems, those systems in which the transmitted signal is spread over a wide frequency band, much wider, in fact, than the minimum bandwidth required to transmit the information being sent. Part I of this dissertation deals with Spread-Spectrum Clock Generators (SSCG) aiming at reducing Electro Magnetic Interference (EMI) of clock signals in integrated circuits (IC) design. In particular, the modulation of the clock and the consequent spreading of its spectrum are obtained through a random modulating signal outputted by a chaotic map, i.e. a discrete-time dynamical system showing chaotic behavior. The advantages offered by this kind of modulation are highlighted. Three different prototypes of chaos-based SSCG are presented in all their aspects: design, simulation, and post-fabrication measurements. The third one, operating at a frequency equal to 3GHz, aims at being applied to Serial ATA, standard de facto for fast data transmission to and from Hard Disk Drives. The most extreme example of spread-spectrum signalling is the emerging ultra-wideband (UWB) technology, which proposes the use of large sections of the radio spectrum at low amplitudes to transmit high-bandwidth digital data. In part II of the dissertation, two UWB applications are presented, both dealing with the advantages as well as with the challenges of a wide-band system, namely: a chaos-based sequence generation method for reducing Multiple Access Interference (MAI) in Direct Sequence UWB Wireless-Sensor-Networks (WSNs), and design and simulations of a Low-Noise Amplifier (LNA) for impulse radio UWB. This latter topic was studied during a study-abroad period in collaboration with Delft University of Technology, Delft, Netherlands.

Design and Performance Evaluation of Network-on-Chip Communication Protocols and Architectures

The scale down of transistor technology allows microelectronics manufacturers such as Intel and IBM to build always more sophisticated systems on a single microchip. The classical interconnection solutions based on shared buses or direct connections between the modules of the chip are becoming obsolete as they struggle to sustain the increasing tight bandwidth and latency constraints that these systems demand. The most promising solution for the future chip interconnects are the Networks on Chip (NoC). NoCs are network composed by routers and channels used to inter- connect the different components installed on the single microchip. Examples of advanced processors based on NoC interconnects are the IBM Cell processor, composed by eight CPUs that is installed on the Sony Playstation III and the Intel Teraflops pro ject composed by 80 independent (simple) microprocessors. On chip integration is becoming popular not only in the Chip Multi Processor (CMP) research area but also in the wider and more heterogeneous world of Systems on Chip (SoC). SoC comprehend all the electronic devices that surround us such as cell-phones, smart-phones, house embedded systems, automotive systems, set-top boxes etc... SoC manufacturers such as ST Microelectronics , Samsung, Philips and also Universities such as Bologna University, M.I.T., Berkeley and more are all proposing proprietary frameworks based on NoC interconnects. These frameworks help engineers in the switch of design methodology and speed up the development of new NoC-based systems on chip. In this Thesis we propose an introduction of CMP and SoC interconnection networks. Then focusing on SoC systems we propose: • a detailed analysis based on simulation of the Spidergon NoC, a ST Microelectronics solution for SoC interconnects. The Spidergon NoC differs from many classical solutions inherited from the parallel computing world. Here we propose a detailed analysis of this NoC topology and routing algorithms. Furthermore we propose aEqualized a new routing algorithm designed to optimize the use of the resources of the network while also increasing its performance; • a methodology flow based on modified publicly available tools that combined can be used to design, model and analyze any kind of System on Chip; • a detailed analysis of a ST Microelectronics-proprietary transport-level protocol that the author of this Thesis helped developing; • a simulation-based comprehensive comparison of different network interface designs proposed by the author and the researchers at AST lab, in order to integrate shared-memory and message-passing based components on a single System on Chip; • a powerful and flexible solution to address the time closure exception issue in the design of synchronous Networks on Chip. Our solution is based on relay stations repeaters and allows to reduce the power and area demands of NoC interconnects while also reducing its buffer needs; • a solution to simplify the design of the NoC by also increasing their performance and reducing their power and area consumption. We propose to replace complex and slow virtual channel-based routers with multiple and flexible small Multi Plane ones. This solution allows us to reduce the area and power dissipation of any NoC while also increasing its performance especially when the resources are reduced. This Thesis has been written in collaboration with the Advanced System Technology laboratory in Grenoble France, and the Computer Science Department at Columbia University in the city of New York.