CHIMICA FARMACEUTICA E BIOANALISI

Descrizione dell'attività di ricerca:

- Identificazione e caratterizzazione di molecole bioattive quali ligandi di proteine targets per patologie neurodegenerative e correlate all’invecchiamento

L’obiettivo primario è quello di identificare molecole bioattive che possano essere assunte a scopo preventivo con la dieta e/o sviluppate come nuovi agenti terapeutici per le patologie neurodegenerative e correlate all’invecchiamento. In particolare, la principale patologia considerata all’interno del progetto è la malattia di Alzheimer (AD). Sulla base del meccanismo multiplo coinvolto nell’insorgenza e progressione dell’AD, sono esaminati numerosi targets convalidati. Lo screening di collezioni di composti chimici ed estratti naturali è condotto su enzimi colinesterasici (acetilcolinesterasi - AChE e butirrilcolinesterasi - BuChE), aggregazione dei peptidi beta-amiloide (Abeta), inibizione di β-secretasi 1 (BACE1), glicogeno sintasi kinasi 3 beta (GSK3beta], al fine di selezionare composti multipotenti, capaci di agire efficacemente e simultaneamente sui punti critici della patologia (calo della trasmissione colinergica, incremento dei livelli di Abeta, formazione di placche amiloidee e grovigli neurofibrillari). Gli approcci analitici appositamente sviluppati dal gruppo di ricerca (sistemi in soluzione, reattori a base di enzimi immobilizzati – IMERs, ed un approccio multimetodologico recentemente sviluppato per la caratterizzazione del processo di aggregazione di Abeta) offrono rapidità, ­­precisione, sensibilità, automazione e consumo di piccoli volumi.

- Progettazione e sintesi di piccole molecole in grado di interagire con target molecolari peculiari di patologie multifattoriali come la malattia di Alzheimer e il cancro, e applicazione dell’approccio del templato universale nella progettazione di poliammine sintetiche.

La malattia di Alzheimer (AD) è una delle più comuni cause di demenza nella popolazione anziana. Questa patologia, a carattere multifattoriale, deriva da un complesso coinvolgimento di numerosi fattori pato-biologici che possono causare morte neuronale. Data la sua natura multifattoriale, AD può essere più efficacemente contrastato utilizzando un nuovo approccio di progettazione recentemente emerso in campo farmaceutico, la cosiddetta Multitarget-Directed Ligand (MTDL) strategy. Essa consiste nel progettare una singola entità chimica in grado di interagire contemporaneamente con più targets biologici implicati nello sviluppo di una data patologia. Questo tipo di approccio è stato applicato nella progettazione di MTDLs, in grado di interagire con target peculiari dell’AD.

La progettazione di agenti antitumorali rappresenta una delle aree più attive nell'ambito della ricerca farmaceutica. Ciò è dovuto sia alla notevole incidenza della patologia neoplastica sia all'eterogeneità cui essa è associata. Negli ultimi anni le conoscenze relative ai meccanismi molecolari della patologia tumorale sono notevolmente aumentate; ciononostante il numero di farmaci per il suo trattamento è estremamente limitato.

Anche in questo campo, vista la natura multifattoriale della patologia tumorale, si è pensato di applicare l’approccio multitarget, progettando MTDLs in grado di interagire con più target caratteristici di questa patologia.

Infine, una linea di ricerca più generale, prevede lo sviluppo e l'applicazione del concetto del templato universale nella progettazione e sintesi di ligandi selettivi, a struttura poliamminica, per diversi sistemi recettoriali e/o enzimatici

- Sviluppo di nuovi metodi analitici per selezionare inibitori/substrati utili come integratori alimentari/nuovi agenti terapeutici

Il gruppo di ricerca sviluppa nuove strategie e metodologie di analisi che siano rapide e di semplice applicazione, ad alta produttività e/o ad alto contenuto informativo per la stima dell’attività biologica verso i bersagli chiave della patologie degenerative (neurodegenerazione, tumori).

Allo studio sono metodi di spettrometria di massa, biosensore ottico,  micro-bioreattori detti IMERs (Immobilized Enzyme Reactors) che hanno evidenziato caratteristiche attrattive quali l’aumento della stabilità enzimatica nonché la possibilità di riutilizzo, l’accuratezza e la potenziale elevata automazione.  Questi aspetti sono connessi all’inserimento degli IMERs in sistemi a flusso (HPLC, biosensori), utili per lo screening veloce di un alto numero di composti biologicamente attivi e per la selezione di nuovi inibitori/substrati, capostipiti per lo sviluppo di nuovi agenti terapeutici/integratori alimentari innovativi, commercializzabili in tempi brevi.

- Studio della struttura secondaria e modifiche post-traduzionali di peptidi e proteine

 Viene condotto lo studio della struttura secondaria di proteine istoniche e loro modifiche post-traduzionali e peptidi amiloidei, tramite dicroismo circolare e cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa. Gli studi mirano a determinare la cinetica di aggregazione e la stabilità/funzione di proteine e peptidi, in presenza ed in assenza di ligandi.

Tali indagini possono essere sfruttate per verificare l’attività di nuove molecole attive verso patologie neurodegenerative e tumorali (ad es. inibitori dell’aggregazione del peptide beta-amiloide e inibitori dell’enzima istone-deacetilasi HDAC).

Settori ERC (European Research Council):

• LS7_3 Pharmacology, pharmacogenomics, drug discovery and design, drug therapy
• PE4_6 Analytical chemistry

Coordinatore scientifico/Responsabile - Vincenza Andrisano (Professore ordinario Dipartimento QuVi),  Andrea Milelli (Professore associato Dipartimento QuVi)

Membri del gruppo - Vincenzo Tumiatti (Professore ordinario Dipartimento QuVi),  Serena Montanari (Prof.ssa a contratto Dipartimento di Farmacia e Biotecnologie), Lara Davani (Dottoranda Dipartimento Quvi)

Collaborazioni nazionali ed internazionali

• Dr Darius Widera and Dr Mark Dallas, Reading School of Pharmacy, University of Reading, Reading, RG6 6UB, UK
• Prof. Diego Munoz Torrero, Laboratori de Química Farmacèutica (Unitat Associada al CSIC), Facultat de Farmàcia, and Institut de Biomedicina (IBUB), Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.
• Prof. Lucie Cahlíková Department of Pharmacognosy, Faculty of Pharmacy, Charles University, Hradec Králové, Czech Republic
• Prof. Pierre Koch Department of Pharmaceutical/Medicinal Chemistry II, Institute of Pharmacy, University of Regensburg, Regensburg, Germany.
• Dr Chlebek J., Department of Pharmaceutical Botany and Ecology, Faculty of Pharmacy, Charles University, Hradec Králové, Czech Republic
• Prof. Rainer Bischoff Department of Analytical Biochemistry, University of Groningen, Antonius Deusinglaan 1, 9713 AV Groningen, The Netherlands
• Prof. Santos C., Dipartimento di Farmacia Università Federale del Paranà, Brasile
• Prof. Cavalli A., Dott. Marco De Vivo, Istituto Italiano di Tecnologia di Genova
• Proff. L. Marinelli e S. Cosconati, Dipartimento di Chimica Farmaceutica e Tossicologica, Università Federico II di Napoli.
• Prof. Rovero C., Dipartimento di Scienze Farmaceutiche, Università degli Studi di Firenze.
• Dott.ssa Di Paolo M: L., Dipartimento di Medicina Molecolare, Università degli Studi di Padova
• Dott.ssa Basso M., Dipartimento di Biologia Cellulare, Computazionale e Integrata – CIBIO, Università degli Studi di Trento

Produzione scientifica 

1. Identificazione e caratterizzazione di molecole bioattive quali ligandi di proteine targets per patologie neurodegenerative e correlate all’invecchiamento

• De Simone A, La Pietra V, Betari N, Petragnani N, Conte M, Daniele S, Pietrobono D, Martini C, Petralla S, Casadei R, Davani L, Frabetti F, Russomanno P, Novellino E, Montanari S, Tumiatti V, Ballerini P, Sarno F, Nebbioso A, Altucci L, Monti B, Andrisano V, Milelli A. Discovery of the First-in-Class GSK-3β/HDAC Dual Inhibitor as Disease-Modifying Agent To Combat Alzheimer's Disease. ACS Med Chem Lett. 2019 Feb 4;10(4):469-474.
• Hostalkova A, Marikova J, Opletal L, Korabecny J, Hulcova D, Kunes J, NovakovaL, Perez DI, Jun D, Kucera T, Andrisano V, Siatka T, Cahlikova L. Isoquinoline Alkaloids from Berberis vulgaris as Potential Lead Compounds for the Treatment of Alzheimer's Disease. J Nat Prod. 2019 Feb 22;82(2):239-248.
• Seidl C, de Moraes Santos CA, De Simone A, Bartolini M, Weffort-Santos AM, Andrisano V. Uleine Disrupts Key Enzymatic and Non-Enzymatic Biomarkers that Leads to Alzheimer's Disease. Curr Alzheimer Res. 2017;14(3):317-326.
• Pérez-Areales FJ, Betari N, Viayna A, Pont C, Espargaró A, Bartolini M, De Simone A, Rinaldi Alvarenga JF, Pérez B, Sabate R, Lamuela-Raventós RM, Andrisano V, Luque FJ, Muñoz-Torrero D. Design, synthesis and multitarget biological profiling of second-generation anti-Alzheimer rhein-huprine hybrids. Future Med Chem. 2017 Jun;9(10):965-981.
• Di Martino RM, De Simone A, Andrisano V, Bisignano P, Bisi A, Gobbi S, Rampa A, Fato R, Bergamini C, Perez DI, Martinez A, Bottegoni G, Cavalli A, Belluti F. Versatility of the Curcumin Scaffold: Discovery of Potent and Balanced Dual BACE-1 and GSK-3β Inhibitors. J Med Chem. 2016 Jan 28;59(2):531-44.

2.   Progettazione e sintesi di piccole molecole in grado di interagire con target molecolari peculiari di patologie multifattoriali come la malattia di Alzheimer e il cancro, e applicazione dell’approccio del templato universale nella progettazione di poliammine sintetiche.

• De Simone A, La Pietra V, Betari N, Petragnani N, Conte M, Daniele S, Pietrobono D, Martini C, Petralla S, Casadei R, Davani L, Frabetti F, Russomanno P, Novellino E, Montanari S, Tumiatti V, Ballerini P, Sarno F, Nebbioso A, Altucci L, Monti B, Andrisano V, Milelli A., Discovery of the First-in-Class GSK-3β/HDAC Dual Inhibitor as Disease-Modifying Agent To Combat Alzheimer's Disease., «ACS MEDICINAL CHEMISTRY LETTERS», 2019, 10, pp. 469 – 474
• Di Paolo, Maria Luisa; Cervelli, Manuela; Mariottini, Paolo; Leonetti, Alessia; Polticelli, Fabio; Rosini, Michela; Milelli, Andrea; Basagni, Filippo; Venerando, Rina; Agostinelli, Enzo; Minarini, Anna, Exploring the activity of polyamine analogues on polyamine and spermine oxidase: methoctramine, a potent and selective inhibitor of polyamine oxidase, «JOURNAL OF ENZYME INHIBITION AND MEDICINAL CHEMISTRY», 2019, 34, pp. 740 – 752
• Manuela, Basso; Huan Huan Chen, Debasmita, Tripathy; Mariarosaria, Conte; Apperley, Kim Y. P.; DE SIMONE, Angela; Keillor, Jeffrey W.; Rajiv, Ratan; Angela, Nebbioso; Federica, Sarno; Lucia, Altucci; Milelli, Andrea, Designing Dual Transglutaminase 2/Histone Deacetylase Inhibitors Effective at Halting Neuronal Death, «CHEMMEDCHEM», 2018, 13, pp. 227 – 230
• Milelli, Andrea; Marchetti, Chiara; Turrini, Eleonora; Catanzaro, Elena; Mazzone, Roberta; Tomaselli, Daniela; Fimognari, Carmela; Tumiatti, Vincenzo; Minarini, Anna, Novel polyamine-based Histone deacetylases-Lysine demethylase 1 dual binding inhibitors, «BIOORGANIC & MEDICINAL CHEMISTRY LETTERS», 2018, 28, pp. 1001 – 1004
• De Simone Angela; Milelli Andrea, Histone Deacetylase Inhibitors as Multitarget Ligands: New Players in Alzheimer's Disease Drug Discovery?, «CHEMMEDCHEM», 2019, 14, pp. 1067 - 1073

3.  Sviluppo di nuovi metodi analitici per selezionare inibitori/substrati utili come integratori alimentari/nuovi agenti terapeutici

• De Simone A, Fiori J, Naldi M, D'Urzo A, Tumiatti V, Milelli A, Andrisano V. Application of an ESI-QTOF method for the detailed characterization of GSK-3β inhibitors. J Pharm Biomed Anal. 2017 Sep 10;144:159-166.
• D'Urzo A, De Simone A, Fiori J, Naldi M, Milelli A, Andrisano V. Direct determination of GSK-3β activity and inhibition by UHPLC-UV-vis diode arrays detector (DAD). J Pharm Biomed Anal. 2016 May 30;124:104-111.
• D'Urzo A, Boichenko AP, van den Bosch T, Hermans J, Dekker F, Andrisano V, Bischoff R. Site-specific quantification of lysine acetylation in the N-terminal tail of histone H4 using a double-labelling, targeted UHPLC MS/MS approach. Anal Bioanal Chem. 2016 May;408(13):3547-53.
• Chlebek J, De Simone A, Hošťálková A, Opletal L, Pérez C, Pérez DI, Havlíková L, Cahlíková L, Andrisano V. Application of BACE1 immobilized enzyme reactor for the characterization of multifunctional alkaloids from Corydalis cava(Fumariaceae) as Alzheimer's disease targets. 2016 Mar;109:241-7.
• De Simone A, Mancini F, Real Fernàndez F, Rovero P, Bertucci C, Andrisano V. Surface plasmon resonance, fluorescence, and circular dichroism studies for the characterization of the binding of BACE-1 inhibitors. Anal Bioanal Chem. 2013 Jan;405(2-3):827-35.

4.  Studio della struttura secondaria e modifiche post-traduzionali di peptidi e proteine

• De Simone, A.; Naldi, M.; Tedesco, D.; Milelli, A.; Bartolini, M.; Davani, L.; Widera, D.; Dallas, M.; Andrisano, V. Investigating in vitro amyloid peptide 1-42 aggregation: impact of higher molecular weight stable adducts ACS Omega, 2019 DOI: 10.1021/acsomega.9b01531
• Pandolfi F, De Vita D, Bortolami M, Coluccia A, Di Santo R, Costi R, Andrisano V, Alabiso F, Bergamini C, Fato R, Bartolini M, Scipione L. New pyridine derivatives as inhibitors of acetylcholinesterase and amyloid aggregation. Eur J Med Chem. 2017 Dec 1;141:197-210.
• Naldi M, Fiori J, Pistolozzi M, Drake AF, Bertucci C, Wu R, Mlynarczyk K, Filipek S, De Simone A, Andrisano V. Amyloid β-peptide 25-35 self-assembly and its inhibition: a model undecapeptide system to gain atomistic and secondary structure details of the Alzheimer's disease process and treatment. ACS Chem Neurosci. 2012 Nov 21;3(11):952-62.