MedChemLab -Laboratorio di Chimica Farmaceutica
Macroarea: Chimica Farmaceutica
Settori ERC: PE5_18 Medicinal Chemistry
Sito Web: https://labmedchem.unipv.it/
Referenti: Simona Collina (PO), Daniela Rossi (PA), Pasquale Linciano, (PA), Giacomo Rossino (RTDa)
Junior Staff: Roberta Listro (Assegnista), Martina Garbagnoli (Dottoranda), Elisabetta Tuminelli (Dottoranda), Alice Fossati (Dottoranda), Giorgio Milli (Borsista)
L’attività di ricerca del gruppo è mirata all’identificazione e alla caratterizzazione di nuove molecole quali modulatori di target e processi biologici coinvolti nella neurodegenerazione e nei tumori, con l’obiettivo finale di sviluppare nuovi approcci terapeutici. L’approccio interdisciplinare è la forza trainante dell’attività di ricerca, che comprende la progettazione, la sintesi e l’analisi di nuove serie di composti, nonchè la preparazione e la caratterizzazione di molecole chirali. Il gruppo si occupa anche di sperimentare l’implementazione di strategie green per la sintesi e la purificazione dei composti oggetto delle linee di ricerca. L’applicazione dei principi della Green Chemistry alla sintesi di composti di interesse farmaceutico è infatti cruciale e riguarda diversi aspetti, quali lo sviluppo di nuove ed efficaci metodiche di sintesi ecosostenibili, finalizzate alla riduzione dei prodotti di scarto, l’ottimizzazione dell’uso delle risorse e il contenimento dei rischi. Nel corso degli anni, il gruppo ha preparato più di 1000 molecole (sia naturali che sintetiche) con proprietà drug-like. Lo studio delle proprietà biologiche è condotto in collaborazione con gruppi di ricerca nazionali e internazionali. Di seguito sono riportate le tematiche di ricerca (classi di target e patologie) su cui il gruppo è attualmente impegnato.
1. Nuovi agenti neuroprotettivi: agonisti dei recettori sigma1
Il recettore sigma1 (S1R) è coinvolto in numerose funzioni fisio-patologiche del sistema nervoso centrale (SNC), inclusa la neuroplasticità e neuroprotezione, e svolge un ruolo chiave in diverse malattie neurodegenerative quali la Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA), la Sclerosi Multipla, la malattia di Alzheimer e nelle neuropatie. I modulatori S1R con attività agonista possono essere considerati sia strumenti farmacologici utili per comprendere i meccanismi molecolari alla base delle malattie neurodegenerative, sia come potenziali agenti neuroprotettivi per contrastarle. Viceversa, i composti ad attività S1R antagonista sono allo studio quali potenziali analgesici per il trattamento del dolore neuropatico. Il nostro gruppo ha sviluppato un’ampia serie di ligandi S1R. Tra questi, (R)-RC33, un agonista S1R selettivo metabolicamente stabile, è attualmente in fase di ottimizzazione per la SLA. Parallelamente abbiamo sviluppato e brevettato una piccola libreria di antagonisti selettivi S1R, da cui il composto PV-752 è emerso per la sua elevata efficacia in due modelli animali del dolore neuropatico. Il gruppo ha recentemente identificato, per la prima volta, alcuni agonisti S1R capaci di modulare l’attività delle acquaporine (AQP), canali di membrana coinvolti nel trasporto di acqua e nello scavenging di specie reattive dell’ossigeno.
2. Nuovi agenti antitumorali
La ricerca è volta all’identificazione di nuovi agenti antitumorali, il cui meccanismo d’azione coinvolge la modulazione, selettiva o simultanea, dei recettori sigma, del proteasoma e/o dei recettori del fattore di crescita dei fibroblasti (FGFR). Ciascuna di queste proteine è risultata coinvolta in diversi processi di sopravvivenza e vitalità cellulare, e pertanto sono promettenti target terapeutici nella lotta contro il cancro. In particolare, è dimostrato che composti con profilo antagonista S1R e agonista S2R hanno effetti anti-proliferativi e pro-apoptotici in diversi modelli sperimentali. Il composto RC-106, frutto delle ricerche del gruppo, è in grado di modulare entrambi i sottotipi recettoriali ed è dotato di attività antitumorale su un ampio spettro di linee cellulari tumorali. Recentemente è stata disegnata e sviluppata una nuova serie di analoghi (oggetto di un brevetto internazionale), dotati di promettente attività contro tumori aggressivi quali mieloma multiplo e glioblastoma e che agiscono attraverso un meccanismo d’azione multiplo, che coinvolge l’inibizione del proteasoma, un complesso multi-catalitico deputato alla degradazione delle proteine la cui iper-regolazione è coinvolta nell’eziologia di alcuni tumori. Il nostro gruppo ha inoltre identificato un metabolita secondario da una fonte vegetale dotato di una moderata attività inibitoria nei confronti del proteasoma (vedi linea di ricerca 5). Attraverso un approccio di disegno razionale, è stata preparata una nuova serie di derivati. Il profilo SAR è in via di definizione. Parallelamente sono stati identificati ligandi selettivi per i domini extracellulari di FGFR, che possono rappresentare un’ulteriore arma contro le neoplasie, dal momento che il pathway del FGF/FGFR gioca un ruolo fondamentale nella progressione dei tumori, nonché nella farmacoresistenza. Fine ultimo della ricerca è lo sviluppo di nuove molecole ad azione bifunzionale selettive nei confronti delle cellule neoplastiche ed in grado di agire su cellule “multi-drug resistant” (MDR).
3. Piccole molecole capaci di legare le proteine ELAV
Le proteine ELAV appartengono alla classe delle RNA Binding Proteins (RBP) il cui malfunzionamento è associato ad alcune patologie, tra cui neurodegenerazione e cancro. Il nostro gruppo, attraverso un approccio chimico farmaceutico, ha valutato a fondo la druggability dei complessi tra mRNA e HuR, proteina appartenente alla classe delle ELAV. Attraverso studi di docking sono state esaminate le possibili interazioni dei composti già identificati come inibitori del complesso HuR-RNA ed è stata così ipotizzata la tasca di binding, che ha costituito il punto di partenza per la progettazione di ligandi specifici. Combinando studi di interazione mediante NMR e indagini in silico sono stati studiati diversi chemotipi e sono stati individuati i principali requisiti strutturali necessari per l’interazione HuR-ligando. Sulla base dei risultati ottenuti, sono state progettate e sintetizzate nuove entità chimiche che sono attualmente in studio.
4. Inibitori del Quorum Sensing (QS) batterico, quale strumento per contrastare la resistenza agli antimicrobici
Una strategia per contrastare la resistenza agli antimicrobici (AMR) consiste nell’inibire la formazione di biofilm e il QS, il meccanismo che i batteri usano per comunicare da cellula a cellula, per coordinarsi e per agire come popolazione. La chinasi batterica LsrK gioca un ruolo fondamentale nel processo di QS. Il nostro gruppo studia la druggability di LsrK, valutandolo come target farmacologico innovativo per lo sviluppo di nuovi farmaci, utilizzabili da soli o in combinazione con gli antimicrobici attualmente in uso. Al fine di identificare novi potenziali inibitori di LsrK, abbiamo combinato il virtual screening di una libreria in-house di metaboliti secondari di piante con una sintesi focalizzata di piccole molecole. I composti selezionati sono stati testati su LsrK, e la ricerca di analoghi degli hit ha portato all’identificazione di inibitori di LsrK con attività nel range basso-micromolare. La ricerca, attualmente in fase iniziale, potrà portare all’identificazione di nuovi antibatterici con meccanismo d’azione innovativo.
5. Drug discovery da fonti naturali
Questa linea di ricerca è traversale alle diverse linee attive nel gruppo. I prodotti naturali giocano infatti un ruolo fondamentale nella scoperta di importanti molecole bioattive. L’estrazione, caratterizzazione e valutazione biologica di metaboliti secondari può condurre all’identificazione di composti ad alto potenziale terapeutico. Il nostro gruppo ha studiato estratti di piante sia locali sia non-locali attraverso un approccio di frazionamento bio-guidato. In particolare, le matrici naturali sono state estratte attraverso metodi convenzionali (macerazione) o innovativi (estrazione assistita da microonde o ultrasuoni). Nel corso degli anni sono state identificate molecole dotate di attività neuroprotettiva, antinfiammatoria e antitumorale, nonché molecole in grado si interferire con la formazione del complesso ELAV-RNA (linea 3) e in grado di inibire LrsK (linea 4).
- 1. Research topic: neuroprotective S1R modulators.
- Rossino, G.; Rui, M.; Linciano, P.; Rossi, D.; Boiocchi, M.; Peviani, M.; Poggio, E.; Curti, D.; Schepmann, D.; Wünsch, B.; González-Avendaño, M.; Vergara-Jaque, A.; Caballero, J.; Collina, S. Bitopic Sigma 1 Receptor Modulators to Shed Light on Molecular Mechanisms Underpinning Ligand Binding and Receptor Oligomerization. J. Med. Chem. 2021. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c00886. o
- Pellavio, G.; Rossino, G.; Gastaldi, G.; Rossi, D.; Linciano, P.; Collina, S.; Laforenza, U. Sigma-1 Receptor Agonists Acting on Aquaporin-Mediated H2O2 Permeability: New Tools for Counteracting Oxidative Stress. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22 (18), 9790. https://doi.org/10.3390/ijms22189790.
- 2. Research topic: novel anticancer agents.
- Listro, R.; Stotani, S.; Rossino, G.; Rui, M.; Malacrida, A.; Cavaletti, G.; Cortesi, M.; Arienti, C.; Tesei, A.; Rossi, D.; Giacomo, M. D.; Miloso, M.; Collina, S. Exploring the RC-106 Chemical Space: Design and Synthesis of Novel (E)-1-(3-Arylbut-2-En-1-Yl)-4-(Substituted) Piperazine Derivatives as Potential Anticancer Agents. Front. Chem. 2020, 8. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00495.
- Tesei, A.; Cortesi, M.; Pignatta, S.; Arienti, C.; Dondio, G. M.; Bigogno, C.; Malacrida, A.; Miloso, M.; Meregalli, C.; Chiorazzi, A.; Carozzi, V.; Cavaletti, G.; Rui, M.; Marra, A.; Rossi, D.; Collina, S. Anti-Tumor Efficacy Assessment of the Sigma Receptor Pan Modulator RC-106. A Promising Therapeutic Tool for Pancreatic Cancer. Front. Pharmacol. 2019, 10. https://doi.org/10.3389/fphar.2019.00490.
- 3. Research topic: small molecules interfering with RBPs.
- Della Volpe, S.; Linciano, P.; Listro, R.; Tumminelli, E.; Amadio, M.; Bonomo, I.; Elgaher, W. A. M.; Adam, S.; Hirsch, A. K. H.; Boeckler, F. M.; Vasile, F.; Rossi, D.; Collina, S. Identification of N,N-Arylalkyl- icolinamide Derivatives Targeting the RNA-Binding Protein HuR, by Combining Biophysical Fragment-Screening and Molecular Hybridization. Bioorganic Chem. 2021, 116, 105305. https://doi.org/10.1016/j.bioorg.2021.105305.
- Ambrosio, F. A.; Coricello, A.; Costa, G.; Lupia, A.; Micaelli, M.; Marchesi, N.; Sala, F.; Pascale, A.; Rossi, D.; Vasile, F.; Alcaro, S.; Collina, S. Identification of Compounds Targeting HuD. Another Brick in the Wall of Neurodegenerative Disease Treatment. J. Med. Chem. 2021, 64 (14), 9989–10000. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c00191.
- 4. Research topic: Fighting Antimicrobials Resistance by interfering with bacterial Quorum Sensing.
- Linciano, P., Cavalloro, V., Martino, E., Kirchmair, J., Listro, R., Rossi, D., Collina, S. Tackling Antimicrobial Resistance with Small Molecules Targeting LsrK: Challenges and Opportunities. J.Med.Chem., 63, 15243-15257, 2020. https://dx.doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c01282.
- Stotani, S.; Gatta, V.; Madarametla, P.; Padmanaban, M.; Karawajczyk, A.; Giordaletto, F.; Tammela, P.; Laitinen, T.; Poso, A.; Tzalis, D., Collina, S. DPD-inspired discovery of novel LsrK kinase inhibitors: an opportunity to fight antimicrobial resistance. J. Med. Chem., 62, 5, 2720-2737, 2019. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.9b00025.
- 5. Research topic: nature-aided drug discovery.
- Malacrida, A.; Cavalloro, V.; Martino, E.; Costa, G.; Ambrosio, F.A.; Alcaro, S.; Rigolio, R.; Cassetti, A.; Miloso, M.; Collina, S. Anti-Multiple Myeloma Potential of Secondary Metabolites from Hibiscus sabdariffa — Part 2. Molecules 2021, 26, 6596. https://doi.org/10.3390/molecules26216596.
- Cavalloro, V.; Marrubini, G.; Stabile, R.; Rossi, D.; Linciano, P.; Gheza, G.; Assini, S.; Martino, E.; Collina, S. Microwave-Assisted Extraction and HPLC-UV-CD Determination of (S)-Usnic Acid in Cladonia Foliacea. Molecules 2021, 26 (2), 455. https://doi.org/10.3390/molecules26020455.
Collaborazioni Nazionali
• Nuovi agenti neuroprotettivi: agonisti dei recettori sigma1. Collaborazioni: M. Peviani (Dipartimento di Biologia e Biotecnologia “L. Spallanzani” – Università di Pavia), G. Cavaletti (Experimental neurology Unit – Università di Milano-Bicocca), S. Rossi (Dipartimento di Scienze del Farmaco, Laboratorio di Biofarmaceutica e Sviluppo Formulativo – Università di Pavia), U. Laforenza (Dipartimento di Medicina Molecolare, Fisiologia Umana – Università di Pavia).
• Nuovi agenti antitumorali. Collaborazioni: M. Paolillo (Dipartimento di Scienze del Farmaco, Sezione di Farmacologia – Università di Pavia), A. Tesei (Laboratorio di Radiobiologia e Farmacologia Preclinica – IRCCS, Meldola, FC), M. Miloso (Experimental neurology Unit – Università di Milano-Bicocca), M. Peviani (Biology and Biotechnology Dept. “L. Spallanzani” – Università di Pavia)
• Piccole molecole capaci di legare le proteine ELAV. Collaborazioni: A. Pascale, M. Amadio (Dipartimento di Scienze del Farmaco, Sezione di Farmacologia – Università di Pavia), F. Vasile (Dipartimento di Chimica – Università di Milano), G. Costa, S. Alcaro (Dipartimento di Scienze della Salute – Università “Magna Græcia” di Catanzaro), A. Provenzani, C. Zucal (Dipartimento di Biologia Cellulare, Computazionale e Integrata CIBIO – Università di Trento).
• Inibitori del Quorum Sensing (QS) batterico, quale strumento per contrastare la resistenza agli antimicrobici. Collaborazioni: G. Pietrocola (Dipartimento di Medicina Molecolare – Università di Pavia).
• Drug discovery da fonti naturali. Collaborazioni: E. Martino (Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente – Università di Pavia), M. Paolillo (Dipartimento di Scienze del Farmaco, Sezione di Farmacologia – Università di Pavia), M. Miloso (Experimental Neurology Unit – Università degli Studi di Milano-Bicocca).
Collaborazioni Internazionali
• Nuovi agenti neuroprotettivi: agonisti dei recettori sigma1. Collaborazioni: B. Wünsch (Institute of Pharmaceutical and Medicinal Chemistry – University of Münster, Germania), J. Caballero (Center for Bioinformatics and Molecular Simulations, Universidad de Talca, Cile).
• Piccole molecole capaci di legare le proteine ELAV. Collaborazioni: A.K.H. Hirsch (Helmholtz Institute for Pharmaceutical Research Saarland (HIPS), Saarbrücken, Germania), M. Sattler (Institute of Structural Biology – Helmholtz Zentrum München).
• Drug discovery da fonti naturali. Collaborazioni: M. Sousa (Center for Neurosciences and Cell Biology – University of Coimbra, Portugal), M. Machado (Centro de Investigação em Biodiversidade e Recursos Genéticos, Universidade do Porto, InBIO, Vairão, Portugal), T. Langer (Department of Pharmaceutical Sciences, Division of Pharmaceutical Chemistry – Faculty of Life Sciences, University of Vienna).
Progetto commissionato dal CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Istituto di Farmacologia Translazionale, con sede a Roma, svolto in collaborazione con il gruppo di ricerca di tecnologia farmaceutica, coordinato dalla prof. Silvia Rossi, e con l’azienda Silk Biomaterial.
Il Gruppo di ricerca ha una lunga esperienza nell’ambito della Chimica Farmaceutica (sintesi, caratterizzazione strutturale e studi di relazione struttura-attività di molecole potenzialmente bioattive), oltre che nell’identificazione e isolamento di composti naturali e metaboli secondari da estratti vegetali. L’approccio altamente inter-disciplinare è diretto all’identificazione e ottimizzazione di nuove molecole capaci di interagire con target emergenti ai fini di possibili applicazioni terapeutiche. Il gruppo di ricerca ha inoltre una solida esperienza nella preparazione e caratterizzazione di composti in forma enantiomericamente arricchita. Il team di ricerca ha accesso a un laboratorio completamente equipaggiato per la sintesi organica su scala da banco, oltre che per l’estrazione di metaboliti secondari da fonti naturali, il tutto conformemente ai moderni standard dei sistemi di produzione e purificazione. Il laboratorio è attrezzato con due reattori a microonde – uno dedicato alla sintesi organica (CEM Discovery) e uno per l’estrazione assistita da microonde (CEM MARSX) – e con uno spettrometro FT-IR. Sono inoltre presenti due HPLC (adatti a lavorare sia su scala analitica sia semi-preparativa) accoppiati con rivelatori a serie di fotodiodi (PDA) e dicroismo circolare, diverse colonne con fasi stazionarie chirali e achirali e un polarimetro equipaggiato con lampada al Na e al Hg. Il laboratorio è inoltre dotato di sistemi hardware e software necessari a studi di modellistica molecolare. Il Gruppo di ricerca si avvale inoltre dell’expertise tecnico-scientifica e dei servizi forniti dalle strutture del Centro Grandi Strumenti (CGS), che offre strumentazioni aggiornate e altamente specializzate per la caratterizzazione strutturale e per l’analisi delle nuove entità chimiche sintetizzate.
SIMONA COLLINA - simona.collina@unipv.it
DANIELA ROSSI - daniela.rossi@unipv.it
PASQUALE LINCIANO - pasquale.linciano@unipv.it
GIACOMO ROSSINO - giacomo.rossino@unipv.it