Studio molecolare e funzionale di nuove molecole bioattive al fine di veicolare biosubstrati a scopo diagnostico e terapeutico

Abstract

Con la rapida conclusione del progetto relativo alla definizione della sequenza del genoma umano, il principio di curare le malattie di origine genetica dispensando i geni corretti alle cellule interessate si è fatto strada come strategia alternativa all'uso di farmaci di sintesi. La terapia genica, uno dei più rilevanti obiettivi che la ricerca post-genomica si prefigge, si basa sul principio di curare la malattia, determinata da un gene difettoso noto, introducendo il gene corretto nelle cellule del paziente mediante vettori di trasferimento genico. Al presente, i vettori sono essenzialmente di due tipi: virali e non-virali. Sebbene i vettori virali garantiscano un'alta efficienza di trasfezione nelle cellule bersaglio, per i rischi connessi al loro utilizzo, non possono ancora essere considerati agenti farmaceutici di semplice applicazione. Gran parte dei sistemi non-virali di "gene delivery", commerciali e non, si basano sull'utilizzo di tensioattivi cationici (citofectine). Sono solo all'inizio gli studi volti a correlare la struttura chimica con l'idoneità della molecola al suo impiego come citofectina. Per costruire un complesso in grado di fornire un’efficace attività trasfettiva è necessaria un’elevata capacità di ingegneria molecolare, che tenga conto di molteplici aspetti: dalla chimica fisica dei colloidi a tutte le possibili interazioni con le componenti biologiche. Le ricerche effettuate nel presente lavoro di Dottorato hanno riguardato la caratterizzazione chimico-fisica, strutturale e biologica, delle soluzioni di nuove molecole bioattive, in particolare nuovi tensioattivi cationici, idonee ad essere impiegate come vettori non virali in “gene delivery”, al fine di poter ottenere un modello fisico per il processo di trasfezione e poter stabilire relazioni struttura/attività utili alla progettazione di vettori non virali sempre più efficienti e specifici. I tensioattivi che sono stati studiati appartengono principalmente alle seguenti classi: 1) tensioattivi gemini con teste polari di tipo ammonio quaternario, 2) tensioattivi gemini con teste polari di tipo piridinio e catene lipofile parzialmente fluorurate (la fluorurazione dovrebbe ridurre la tossicità), 3) tensioattivi monomerici glucocationici, contenenti gruppi ammonici quaternari e carboidrati ad essi legati covalentemente, anch’essi di nuova sintesi, recanti uno zucchero legato alla testa polare, nella prospettiva di ottenere tensioattivi marcati in grado di essere riconosciuti da quelle cellule che presentano recettori per lo zucchero.

Le azioni di ricerca che sono state intraprese intraprendere sono le seguenti: a) studio della termodinamica dei sistemi binari tensioattivo-acqua e del processo di micellizazione delle classi di tensioattivi sopra elencati. Sono state determinate le entalpie, i volumi, le energie libere, le capacità termiche molari apparenti e parziali, i coefficienti di espansione e le compressibilità adiabatiche in funzione della concentrazione e, applicando opportuni modelli chimico fisici (modello di transizione di pseudo-fase, modello di azione di massa, etc.), la variazione di queste grandezze nel corso del processo di formazione delle micelle. Sono state inoltre determinate le curve di tensione superficiale e di conducibilità, per ottenere informazioni specifiche sull'area superficiale occupata per molecola e sul grado di associazione dei controioni. b) Studio dell’interazione DNA-molecole bioattive attraverso metodi biologici (Electrophoresis Mobility Shift Assay -EMSA). c) Studio strutturale dei lipoplessi mediante l’impiego di microscopia a forza atomica. d) Valutazione dell’efficacia trasfettiva attraverso saggi di trasfezione transiente misurando l’espressione dell’EGFP tramite microscopio a fluorescenza, e della tossicità (MTT proliferation assay). e) Studio dell’interazione dei composti in esame con membrane modello mimetiche delle membrane cellulari principalmente tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC).

Sono stati inoltre studiati gli equilibri in soluzione di altre molecole bioattive quali i β-dicheto acidi e i corrispettivi β-dicheto esteri che sono una classe promettente di inibitori HIV. E’ stato approfondito lo studio del legame idrofobico mediante il modello termodinamico-statistico, messo a punto dal gruppo di ricerca dove ho svolto il Dottorato. E’ ben noto, infatti, come il legame idrofobico sia fondamentale nei processi e nei sistemi biologici: basti pensare alle membrane cellulari, alle interazioni recettore-legante, al meccanismo di azione dei farmaci.