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.

Supramolecular hybrid organic-inorganic multicomponent architectures in solution and on surface

Supramolecular architectures can be built-up from a single molecular component (building block) to obtain a complex of organic or inorganic interactions creating a new emergent condensed phase of matter, such as gels, liquid crystals and solid crystal. Further the generation of multicomponent supramolecular hybrid architecture, a mix of organic and inorganic components, increases the complexity of the condensed aggregate with functional properties useful for important areas of research, like material science, medicine and nanotechnology. One may design a molecule storing a recognition pattern and programming a informed self-organization process enables to grow-up into a hierarchical architecture. From a molecular level to a supramolecular level, in a bottom-up fashion, it is possible to create a new emergent structure-function, where the system, as a whole, is open to its own environment to exchange energy, matter and information. “The emergent property of the whole assembly is superior to the sum of a singles parts”. In this thesis I present new architectures and functional materials built through the selfassembly of guanosine, in the absence or in the presence of a cation, in solution and on the surface. By appropriate manipulation of intermolecular non-covalent interactions the spatial (structural) and temporal (dynamic) features of these supramolecular architectures are controlled. Guanosine G7 (5',3'-di-decanoil-deoxi-guanosine) is able to interconvert reversibly between a supramolecular polymer and a discrete octameric species by dynamic cation binding and release. Guanosine G16 (2',3'-O-Isopropylidene-5'-O-decylguanosine) shows selectivity binding from a mix of different cation's nature. Remarkably, reversibility, selectivity, adaptability and serendipity are mutual features to appreciate the creativity of a molecular self-organization complex system into a multilevelscale hierarchical growth. The creativity - in general sense, the creation of a new thing, a new thinking, a new functionality or a new structure - emerges from a contamination process of different disciplines such as biology, chemistry, physics, architecture, design, philosophy and science of complexity.

Characterization of L-type Calcium Channel Binding-Site of a new class of Calcium modulators by a Multidisciplinary approach

Many potential diltiazem related L-VDCC blockers were developed using a multidisciplinary approach. This current study was to investigate and compare diltiazem with to the newly developed compounds by mouse Langendorff-perfused heart, Ca2+-transient and on recombinant L-VDCC. Twenty particular compounds were selected by the ligand-based virtual screening procedure (LBVS). From these compounds, five of them (5b, M2, M7, M8 and P1) showed a potent and selective inotropic activity on guinea-pig left atria driven 1 Hz. Further assays displayed an interesting negative inotropic effect of M2, M8, P1 and M7 on guinea pig isolated left papillary muscle driven at 1 Hz, a relevant vasorelaxant activity of 5b, M2, M7, M8 and P1 on K+-depolarized guinea-pig ileum longitudinal smooth muscle and a significant inhibition of contraction of 5b, M2, M8 and P1 on carbachol stimulated ileum longitudinal smooth muscle. Wild-type human heart and rabbit lung α1 subunits were expressed (combined with the regulatory α2δ and β3 subunits) in Xenopus Leavis oocytes using a two-electrode voltage clamp technique. Diltiazem is a benzothiazepine Ca2+ channel blocker used clinically for its antihypertensive and antiarrhythmic effects. Previous radioligand binding assays revealed a complex interaction with the benzothiazepine binding site for M2, M7 and M8. (Carosati E. et al. J. Med Chem. 2006, 49; 5206). In agreement with this findings, the relative order of increased rates of contraction and relaxation at lower concentrations s(≤10-6M) in unpaced hearts was M7>M2>M8>P1. Similar increases in Ca2+ transient were observed in cardiomyocytes. Diltiazem showed negative inotropic effects whereas 5b had no significant effect. Diltiazem blocks Ca2+current in a use-dependent manner and facilitates the channel by accelerating the inactivation and decelerating the recovery from inactivation. In contrast to diltiazem, the new analogs had no pronounced use-dependence. Application of 100 μM M8, M2 showed ~ 10% tonic block; in addition, M8, M2 and P1 shifted the steady state inactivation in hyperpolarized direction and the current inactivation time was significantly decreased compared with control (219.6 ± 11.5 ms, 226 ± 14.5 vs. 269 ± 12.9 vs. 199.28 ± 8.19 ms). Contrary to diltiazem, the recovery from the block by M8 and M2 was comparable to control. Only P1 showed a significantly decrease of the time for the recovery from inactivation. All of the compounds displayed the same sensitivity on the Ca2+ channel rabbit lung α1 except P1. Taken together, these findings suggest that M8, M2 and P1 might directly decrease the binding affinity or allow rapid dissociation from the benzothiazepine binding site.

La comunicazione chimica in Blattaria: contributo al miglioramento della lotta

CHEMICAL COMMUNICATION IN BLATTARIA: CONTRIBUTION TO THE IMPROVEMENT OF THE CONTROL TECNIQUES The management of cockroach infestations in urban environment has undergone some changes in recent years by moving to the predominant use of baits, thanks to the awareness of the risks connected with the use of spray insecticides. The effectiveness of a bait is determined by the collective performance of its components, including active and inert ingredients, the food attractant and any other attractive odour. This research has focused on the behavioral responses of Italian sinanthropic cockroaches to semiochemicals and food attractants, for the purpose of evaluating a possible practical application and of contributing to the improvement of control techniques. Behavioral and morphological studies have been carried out on Supella longipalpa (F.), a small cockroach that is spreading in Italy. Behavioral assays showed that the fourth and fifth tergites of females are significantly more attractive than other region of the body. Cuticular pores and ducts ending in glandular structures (observed with a S.E.M. = Scanning Electron Microscope) are present in large number on these tergites, suggesting that they could be involved in the production and the release of sexual pheromone. Cockroaches produce an aggregation pheromone that is excreted along with their frass and that consists of volatile and non-volatile compounds, mainly amines and steroidal glycosides. The effectiveness of faecal extracts obtained from excrements of Blattella germanica (L.), Blatta orientalis L., Periplaneta americana (L.) and S. longipalpa was evaluated, both at intraspecific and interspecific level, using a "Y" tube olfactometer. Bioassays showed that faecal extracts obtained with methanol have a good intraspecific attractiveness and, in some cases, they showed also interspecific behavioral responses. A gel was prepared, having physical characteristics that could give a good resistance to dehydration, as a potential basis for a new bait; the gel was then added faecal extracts, obtained with methanol from B. germanica and S. longipalpa frass. Arena-tests showed that the new gel containing faecal extracts is more attractive than some commercial gel formulations used as comparison: it was the only product that could attract 100% of insects placed in the arenas in 4-5 days. In conclusion, the substances involved in chemical communication of Blattaria may be able to effectively increase the attractiveness of products for monitoring and controlling cockroaches.

Conformation and Stereodynamic of Hindered Aromatic System

The preparation of conformationally hindered molecules and their study by DNMR and computational methods are my thesis’s core. In the first chapter, the conformations and the stereodynamics of symmetrically ortho-disubstituted aryl carbinols and aryl ethers are described. In the second chapter, the structures of axially chiral atropisomers of hindered biphenyl carbinols are studied. In the third chapter, the steric barriers and the -barrier of 1,8-di-aylbiphenylenes are determined. Interesting atropisomers are found in the cases of arylanthrones, arylanthraquinones and arylanthracenes and are reported in the fourth chapter. By the combined use of dynamic NMR, ECD spectroscopy and DFT computations, the conformations and the absolute configurations of 2-Naphthylalkylsulfoxides are studied in the fifth chapter. In the last chapter, a new synthetic route to ,’-arylated secondary or tertiary alcohols by lithiated O-benzyl-carbamates carrying an N-aryl substituent and DFT calculations to determinate the cyclic intermediate are reported. This work was done in the research group of Prof. Jonathan Clayden, at the University of Manchester.

De Novo Design of secondary structures: Synthesis and conformational studies

Chemists have long sought to extrapolate the power of biological catalysis and recognition to synthetic systems. These efforts have focused largely on low molecular weight catalysts and receptors; however, biological systems themselves rely almost exclusively on polymers, proteins and RNA, to perform complex chemical functions. Proteins and RNA are unique in their ability to adopt compact, well-ordered conformations, and specific folding provides precise spatial orientation of the functional groups that comprise the “active site”. These features suggest that identification of new polymer backbones with discrete and predictable folding propensities (“foldamers”) will provide a basis for design of molecular machines with unique capabilities. The foldamer approach complements current efforts to design unnatural properties into polypeptides and polynucleotides. The aim of this thesis is the synthesis and conformational studies of new classes of foldamers, using a peptidomimetic approach. Moreover their attitude to be utilized as ionophores, catalysts, and nanobiomaterials were analyzed in solution and in the solid state. This thesis is divided in thematically chapters that are reported below. It begins with a very general introduction (page 4) which is useful, but not strictly necessary, to the expert reader. It is worth mentioning that paragraph I.3 (page 22) is the starting point of this work and paragraph I.5 (page 32) isrequired to better understand the results of chapters 4 and 5. In chapter 1 (page 39) is reported the synthesis and conformational analysis of a novel class of foldamers containing (S)-β3-homophenylglycine [(S)-β3-hPhg] and D- 4-carboxy-oxazolidin-2-one (D-Oxd) residues in alternate order is reported. The experimental conformational analysis performed in solution by IR, 1HNMR, and CD spectroscopy unambiguously proved that these oligomers fold into ordered structures with increasing sequence length. Theoretical calculations employing ab initio MO theory suggest a helix with 11-membered hydrogenbonded rings as the preferred secondary structure type. The novel structures enrich the field of peptidic foldamers and might be useful in the mimicry of native peptides. In chapter 2 cyclo-(L-Ala-D-Oxd)3 and cyclo-(L-Ala-DOxd) 4 were prepared in the liquid phase with good overall yields and were utilized for bivalent ions chelation (Ca2+, Mg2+, Cu2+, Zn2+ and Hg2+); their chelation skill was analyzed with ESI-MS, CD and 1HNMR techniques and the best results were obtained with cyclo-(L-Ala-D-Oxd)3 and Mg2+ or Ca2+. Chapter 3 describes an application of oligopeptides as catalysts for aldol reactions. Paragraph 3.1 concerns the use of prolinamides as catalysts of the cross aldol addition of hydroxyacetone to aromatic aldeydes, whereas paragraphs 3.2 and 3.3 are about the catalyzed aldol addition of acetone to isatins. By means of DFT and AIM calculations, the steric and stereoelectronic effects that control the enantioselectivity in the cross-aldol addition of acetone to isatin catalysed by L-proline have been studied, also in the presence of small quantities of water. In chapter 4 is reported the synthesis and the analysis of a new fiber-like material, obtained from the selfaggregation of the dipeptide Boc-L-Phe-D-Oxd-OBn, which spontaneously forms uniform fibers consisting of parallel infinite linear chains arising from singleintermolecular N-H···O=C hydrogen bonds. This is the absolute borderline case of a parallel β-sheet structure. Longer oligomers of the same series with general formula Boc-(L-Phe-D-Oxd)n-OBn (where n = 2-5), are described in chapter 5. Their properties in solution and in the solid state were analyzed, in correlation with their attitude to form intramolecular hydrogen bond. In chapter 6 is reported the synthesis of imidazolidin-2- one-4-carboxylate and (tetrahydro)-pyrimidin-2-one-5- carboxylate, via an efficient modification of the Hofmann rearrangement. The reaction affords the desired compounds from protected asparagine or glutamine in good to high yield, using PhI(OAc)2 as source of iodine(III).

Luminescent Systems for Genomics and Proteomics

The present PhD project was focused on the development of new tools and methods for luminescence-based techniques. In particular, the ultimate goal was to present substantial improvements to the currently available technologies for both research and diagnostic in the fields of biology, proteomics and genomics. Different aspects and problems were investigated, requiring different strategies and approaches. The whole work was thus divided into separate chapters, each based on the study of one specific aspect of luminescence: Chemiluminescence, Fluorescence and Electrochemiluminescence. CHAPTER 1, Chemiluminescence The work on luminol-enhancer solution lead to a new luminol solution formulation with 1 order of magnitude lower detection limit for HRP. This technology was patented with Cyanagen brand and is now sold worldwide for Western Blot and ELISA applications. CHAPTER 2, Fluorescescence The work on dyed-doped silica nanoparticles is marking a new milestone in the development of nanotechnologies for biological applications. While the project is still in progress, preliminary studies on model structures are leading to very promising results. The improved brightness of these nano-sized objects, their simple synthesis and handling, their low toxicity will soon turn them, we strongly believe, into a new generation of fluorescent labels for many applications. CHAPTER 3, Electrochemiluminescence The work on electrochemiluminescence produced interesting results that can potentially turn into great improvements from an analytical point of view. Ru(bpy)3 derivatives were employed both for on-chip microarray (Chapter 3.1) and for microscopic imaging applications (Chapter 3.2). The development of these new techniques is still under investigation, but the obtained results confirm the possibility to achieve the final goal. Furthermore the development of new ECL-active species (Chapter 3.3, 3.4, 3.5) and their use in these applications can significantly improve overall performances, thus helping to spread ECL as powerful analytical tool for routinary techniques. To conclude, the results obtained are of strong value to largely increase the sensitivity of luminescence techniques, thus fulfilling the expectation we had at the beginning of this research work.