Study on the interaction between strychnine and bovine serum albumin by capillary electrophoretic frontal analysis

The protein binding constant, binding sites of the Strychnos alkaloid-strychnine and bovine serum albumin (BSA) was determined by capillary electrophoretic frontal analysis (CE-FA) for the first time. The experiment was carried out in a polyacrylamide-coated fused silica capillary (48.4 cmx50 mu m i.d., 38.1 cm effective length) with 20 mmol/L citrate/MES buffer (pH 6.0, ionic strength 0.17). The applied voltage was 12 kV and detection wavelength was set at 257 nm. The plateau height of the peak was employed to determine the unbound concentration of drug in BSA equilibrated sample solution based on the external drug standard in the absence of protein. The present method provides a convenient, accurate technique for the early stage of drug screening.

Evaluation of nonlinear chromatographic performance by frontal analysis using a simple multi-plate mathematical model

A multi-plate (NIP) mathematical model was proposed by frontal analysis to evaluate nonlinear chromatographic performance. One of its advantages is that the parameters may be easily calculated from experimental data. Moreover, there is a good correlation between it and the equilibrium-dispersive (E-D) or Thomas models. This shows that it can well accommodate both types of band broadening that is comprised of either diffusion-dominated processes or kinetic sorption processes. The MP model can well describe experimental breakthrough curves that were obtained from membrane affinity chromatography and column reversed-phase liquid chromatography. Furthermore, the coefficients of mass transfer may be calculated according to the relationship between the MP model and the E-D or Thomas models. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

A need for caution in the use of frontal analysis continuous capillary electrophoresis for the determination of ligand binding data

Attention is drawn to a need for caution in the determination of binding data for protein-polyelectrolyte interactions by frontal analysis continuous capillary electrophoresis (FACCE). Because the method is valid only for systems involving comigration of complex(es) and slower-migrating reactant, establishing conformity with that condition is clearly a prerequisite for its application. However, that requirement has not been tested in any published studies thus far. On the basis of calculated FACCE patterns, presented to illustrate features by which such comigration of complex(es) and slower-migrating reactant can be identified, the form of the published pattern for a P-lactoglobulin-poly(styrenesulfonate) mixture does not seem to signify the migration behavior required to justify its consideration in such terms. Additional experimental studies are therefore needed to ascertain the validity of FACCE as a means of determining binding data for the characterization of protein-polyelectrolyte interactions. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Recent advances in the study of biomolecular interactions by capillary electrophoresis

Capillary electrophoresis (CE) has been abundantly used in the study of molecular interactions owing to such advantages as short analysis time, low sample size requirement, high separation efficiency, and flexible applications. The focus of this paper is to 2 review recent studies and advances (mainly from 1998 to now) in biomolecular interactions using CE. Five CE modes: zone migration CE, affinity CE, frontal analysis (FA), Hummel-Dreyer (HD) and vacancy peak (VP) are cited and compared. Quantitative aspects of the thermodynamics and kinetics of biomolecular interaction are reviewed. Several biomolecular binding systems, including protein-protein (polypeptide), protein-DNA (RNA), protein(polypeptide)-carbohydrate, protein-small molecule, DNA-small molecule, small molecule-small molecule, have been well characterized by CE. CE is shown to be a powerful tool for the determination of the binding parameters of various bioaffinity interactions.

Synthesis and characteristics of the human serum albumin-triazine chiral stationary phase

Human serum albumin (HSA) was successfully bonded to silica with s-triazine as activator. The coupling reaction by this method was rapid and effective. The triazine-activated silica is relatively stable and can be installed for at least 1 month without obvious loss of reactivity when stored below 30 degreesC, pH below 7. It was observed that the amount of bound HSA reached 120 mg/g silica calculated from the UV absorbance difference of the HSA solution. d,l-tryptophan was selected as the probe solute to characterize the properties of HSA bonded s-triazine chiral stationary phase, and separation factor of 9.4 was obtained for d,l-tryptophan. Furthermore, the amount of effective HSA on silica was measured by high-performance frontal analysis, and only 16.8 mg/g silica was responsible for the resolution of d,l-tryptophan. These results indicate that the amount of both the bound and effective HSA on silica with triazine as activator was much higher than those by the Schiff base coupling method. Different kinds of enantiomers were resolved successfully on the aminopropylsilica-bonded HSA s-triazine chiral stationary phase. (C) 2000 Wiley-Liss, Inc.

Capillary electrophoresis study of human serum albumin binding to basic drugs

The applicability of capillary electrophoresis/frontal analysis (CE/FA) for determining the binding constants of the drugs propranolol (PRO) and verapamil (VER) to human serum albumin (HSA) was investigated. After direct hydrodynamic injection of a drug-HAS mixture solution into a coated capillary (32 cm x 50 mu m i.d.), the basic drug was eluted as a zonal peak with a plateau region under condition of phosphate buffer (pH 7.4; ionic strength 0.17) at 12 kV positive running voltage. The unbound drug concentrations measured from the plateau peak heights had good correlation coefficients, r > 0.999. Employing the Scatchard plot, the Klotz plot and nonlinear regression, the drug protein binding parameters, the binding constant and the number of binding sites on one protein molecule, were obtained. The binding constant obtained was compared to a reported equilibrium dialysis result and they are basically in good agreement.

Study of interaction between drug enantiomers and serum albumin by capillary electrophoresis

The interaction between drugs and human serum albumin (HSA) was investigated by capillary electrophoresis (CE). It involves stereoselectivity, drug displacement and synergism effects. Under protein-drug binding equilibrium, the unbound concentrations of drug enantiomers were measured by frontal analysis (FA). The stereoselectivity of verapamil (VER) binding to HSA was proved by the different free fractions of two enantiomers. In physiological pH (7.4, ionic strength 0.17 phosphate buffer) when 300 mu M (+/-) VER were equilibrated with 500 mu M HSA, the concentration of unbound S-VER was about 1.7 times its antipode. The binding constants of two enantiomers, KR-VER and KS-VER, were 2670 and 850 M-1, respectively. However, no obvious stereoselective binding of propranolol (PRO) to HSA was observed. Trimethyl-beta-cyclodextrin (45 mM) was used as a chiral selector in pH 2.5 phosphate buffer. Several drug systems were studied by the method. When ibuprofen (IBU) was added into VER-HSA solution. R-VER was partially displaced while S-VER was not displaced at all. A binding synergism effect between bupivacaine (BUP) and verapamil was observed and further study suggested that verapamil and bupivacaine occupy different binding site of HSA (site II and site III, respectively).

Modeling of protein adsorption in membrane affinity chromatography

For the design of affinity membranes, protein adsorption in membrane affinity chromatography (MAC) was studied by frontal analysis. According to fast mass transfer, small thickness of affinity membranes and high affinity between the protein and the ligand, an ideal adsorption (IA) model was proposed for MAC and was used together with equilibrium-dispersive (E-D) model to describe the adsorption of bovine serum albumin (BSA) onto cellulose diacetate/polyethyleneimine (CA/PEI) blend membranes with and without Cu2+ chelating. E-D model was found to better describe the initial region of experimental breakthrough curves. The influence of axial dispersion was revealed and it showed the importance of design of the module to homogenously distribute feed solution. IA model was found to be better for the whole experimental breakthrough curve. According to it, the capacity of affinity membranes and the specificity of the interaction are of equal importance for the design of affinity membranes. An optimum feed concentration was also found in the operation of MAC. The discrepancy between experimental optimum feed concentrations and predicted ones from IA model may be due to the ignorance of some experimental effects such as axial dispersion.

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.

Analysis of kinase gene expression in the frontal cortex of suicide victims: Implications of fear and stress

Suicide is a serious public health issue that results from an interaction between multiple risk factors including individual vulnerabilities to complex feelings of hopelessness, fear, and stress. Although kinase genes have been implicated in fear and stress, including the consolidation and extinction of fearful memories, expression profiles of those genes in the brain of suicide victims are less clear. Using gene expression microarray data from the Online Stanley Genomics Database 1 and a quantitative PCR, we investigated the expression profiles of multiple kinase genes including the calcium calmodulin-dependent kinase (CAMK), the cyclin-dependent kinase, the mitogen-activated protein kinase (MAPK), and the protein kinase C (PKC) in the prefrontal cortex (PFC) of mood disorder patients died with suicide (N = 45) and without suicide (N = 38). We also investigated the expression pattern of the same genes in the PFC of developing humans ranging in age from birth to 49 year (N = 46). The expression levels of CAMK2B, CDK5, MAPK9, and PRKCI were increased in the PFC of suicide victims as compared to non-suicide controls (false discovery rate, FDR-adjusted p < 0.05, fold change >1.1). Those genes also showed changes in expression pattern during the postnatal development (FDR-adjusted p < 0.05). These results suggest that multiple kinase genes undergo age-dependent changes in normal brains as well as pathological changes in suicide brains. These findings may provide an important link to protein kinases known to be important for the development of fear memory, stress associated neural plasticity, and up-regulation in the PFC of suicide victims. More research is needed to better understand the functional role of these kinase genes that may be associated with the pathophysiology of suicide

Frontal sinus obliteration with heterogeneous corticocancellous bone versus spontaneous osteoneogenesis in monkeys (Cebus apella): Histologic analysis

Purpose: In this study, we evaluated the results of spontaneous osteoneogenesis of the frontal sinus with autogenous bone plug versus obliteration with heterogeneous (human) bone in monkeys (Cebus apella).Materials and Methods: Eight young adult male C apella monkeys underwent an ostectomy of the anterior wall of the frontal sinus, removal of the sinus mucosa, and inner decortication of the bony walls and then were divided into 2 groups of 4 each, as follows. Group I monkeys underwent obliteration of the nasofrontal ducts with a free segment of frontallis muscle and corticocancellous heterogeneous bone, followed by full obliteration of the sinus with corticocancellous heterogeneous bone (Dayton Regional Tissue Bank, Dayton, OH). Group II monkeys underwent obliteration of the nasofrontal ducts with a frontal muscle segment and tibial autogenous bone plug, without full obliteration of the frontal sinus. In all animals, the sinus anterior wall was repositioned and fixed with 1.0 plate and screws. The monkeys were killed after 180 days, and routine laboratory procedures were followed for hematoxylin-eosin staining and histologic evaluation of the specimens.Results: the 2 studied techniques were both effective in obliterating the frontal sinus with newly formed bone. The nasofrontal ducts were obliterated by new bone formation or fibrous tissue (1 animal only).Conclusions: Both methods used for frontal sinus obliteration were effective; the heterogeneous bone (human bone) was well tolerated and presented low antigenicity. The nasofrontal duct obliteration with autogenous muscle associated with autogenous tibial bone (group II) or with heterogeneous bone (group I) was effective, isolating the frontal sinus from the nasal cavity. The spontaneous obliteration resulted, in the period analyzed, in earlier bone maturation compared with the obliteration by heterogeneous bone. (C) 2003 American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons.