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INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO AA 2010-11 Adriana Maggi LEZIONE 13

INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

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CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO AA 2010-11 Adriana Maggi LEZIONE 13. INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI. I SISTEMI REPORTER POSSONO ESSERE UTILIZZATI PER LA GENERAZIONE DI ANIMALI IN CUI SI POSSANO MISURARE EVENTI MOLECOLARI SPECIFICI IN TEMPO REALE?. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

INGEGNERIA ANIMALEAPPLICAZIONI

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO AA 2010-11

Adriana MaggiLEZIONE 13

Page 2: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

I SISTEMI REPORTER POSSONO ESSERE UTILIZZATI PER LA GENERAZIONE DI ANIMALI IN CUI SI POSSANO MISURARE EVENTI MOLECOLARI SPECIFICI IN TEMPO REALE?

Page 3: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

IN VIVO IMAGING

Page 4: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

MULTI-MODALITY MOLECULAR IMAGING IN LIVING SMALL ANIMALS

Functional Magnetic Nuclear Resonance

Optical imagingBioluminescence

Ultrasound

MicroPETPositron emission tomography

Nuclear imaging

Micro SPECTsingle-photon emission

computerized tomography

2/06

Fluorescence

Page 5: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI
Page 6: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI
Page 7: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI
Page 8: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI
Page 9: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

LA GENERAZIONE DI UN TOPO REPORTER

La scelta del:

sistema di ingegneria animale

reporter bioluminescenza, PET, NMR

costrutto

reporter

Page 10: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Reporter bioluminescenti e fluorescenti

Page 11: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

I geni reporter

Monomerico, non richiede substrato, assente nei mammiferi, varianti con diversa l di fluorescenza. Bassa sensibilità per mancanza di amplificazione

fluorescent proteins (GFP, varianti RFP, BFP)

Utilizzabili per PETDifficoltà nel generare i ligandi radiomarcati

Ligandi per sostanze radiomarcate

Alta attività specifica, mancanza di attività endogena (basso bkg) Richiede l’aggiunta di cofattore, O2, ATP.

Luciferasi (Lucciola)

Utile per studi di tipo anatomico-funzionale

Ben caratterizzata, stabile, rilevazione automatizzabile

B-Galattosidasi (Batterica)

GENE

Presenza di attività endogena in cellule di mammifero, enzima tetramerico (risposta non lineare)

Applicabile a studi di bioluminescenza in vivo

Applicabile a studi di fluorescenza in vivo

Page 12: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

LA GENERAZIONE DI UN TOPO REPORTER

La scelta del:

sistema di ingegneria animale

reporter bioluminescenza, PET, NMR

costrutto

reporter

Page 13: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Studio della funzione di promotore

reporter gene reporter gene

Page 14: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

I sistemi reporter nello studio di rilascio/sintesi di trasduttori del segnale (complementazione)

Page 15: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

I sistemi reporter nello studio di interazioni tra proteine

Page 16: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

INSULATOR( MAR )

INSULATOR

( MAR )

lightluciferin + ATP = oxyluciferin + AMP +

TKERE 2x

firefly luciferase

+/- +/-

ERE-Luc reporter mouse

The ERE-Luc reporter mouse: a model to study of ER transcriptional activity

Ciana et al., 2001

ERE

kinase-dependent activation

Page 17: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

i.p. of D-luciferin

20 min.

Evaluation of ER transcriptional activity

5 min. after the acquisition

Page 18: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

18.516.514.513.5 15.5

ERE-Luc mouse

ER is transcriptionally active at day 14.5 pc

dpc (day post conception)

Page 19: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

ERE-Luc mouse

P118.516.514.513.512.5dpc (day post conception) post-natal

day 1

endoderm mesoderm ectodermimaging IHC

A B C D

E

F

G

H

C – intestine 20xD – bone 40xE – heart 40xF – forebrain 10xG – moustache 40x H – skin 20x

16.5 dpc 16.5 dpc

GP Rando, 2007

Page 20: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

ERE-Luc mouse bone

0

2

4

6

thymus

01

23

4

brain

0

5

10

15

20

P E M D2

intestine

0

48

1216

bone

0

2

4

6

thymus

01

23

4

brain

0

5

10

15

20

LUCI

FERA

SE A

CTIV

ITY

(RLU

)

P E D

intestine

0

48

1216

liver

0

10

20

P E M D2

ovaries

0

2

4

uterus

13579

0

6

12

liver

0

10

20

P E D2P E D

ovaries

0

2

4

uterus

13579

0

6

12 hypothalamus

M D P E

Estr

adio

l(pg/m

l)

1020

30

40

50

day 1 day 2 day3 day 4

SESTRUS

E2

(p

g/m

l)

1020304050

M D P E

Luciferase activity in adult, cycling females

Ciana et al, Nature Ned., 2003

Page 21: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Suckling Mice

Pregnancy &

EmbryoDevelopment

13.5

14.5

15.5

16.5

17.5

18.5

19.5

12.5

DAY 18.5

DAY 16.5

DAY 13.5

DAY 14.5

DAY 15.5

DAY 1

DAY 10

Immature Mice

Adult Mice

LIFE

CYCLE

ERE-Luc mice to understand ER involvement in mammals physiopathology

Page 22: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

THE COMPLEXITY OFESTROGEN ACTION

ERE

G-protein,

IP3K...

SP1NFKBAP1

THE COMPLEXITY OF ESTROGEN TARGETS

• REPRODUCTIVE SYSTEM- male and female gonads- hypothalamus and pituitary

• SKELETAL SYSTEM• VASCULAR SYSTEM

- endothelium- smooth muscle cells

• RESPIRATORY SYSTEM• IMMUNE SYSTEM• NERVOUS SYSTEM

- central- peripheral

Page 23: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

CNS

cardiovascular

reproductive

bone

ERE

SP1NFKBAP1

tissue-specificcoregulators

growthfactors P

ER COMPLEXITY OF ACTION and A NEW CLASS OF DRUGS: Selective Estrogen Recepor Modulators

Page 24: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

ESTROGEN REPLACEMENT THERAPY

The efficacy of SERMs on estrogen receptor transcriptional activity was measured in a model

of surgical menopause (ovx mice)

SERMs ability to replace the natural hormone was evaluated by comparison with ER activity in

healthy, cycling mice

Page 25: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Reproductive organs(mammari glands and vagina)

Muscle-Skeletal System

Hepatic area

Measuring bioluminscence in the ERE-Luc reporter mouse

Thymic area

Intestine

Bioluminescence after6h treatment with

15b-estradiol (50ug/kg)

Page 26: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

pellet days of treatment

CONTROLS

REFERENCE DRUG

DRUG OF INTEREST

Manual

In vivo analysis of photon emission

Automatic

Rando et al. 2009

Page 27: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

REPORTER MICE TO STUDY DRUG ACTION “IN VIVO”

0

5

10

15

20 UTERUS

RLU

0

500000

1000000

1500000

2000000

AUC

VAGINA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2110000

40000

70000

100000

VAGINA

Days

Phot

on e

miss

ion

p/s/

cm2/

sr

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 210

100000

200000

300000

400000

CHEST

Days

Phot

on

emis

sion

p/

s/cm

2/sr

0

2000000

4000000

6000000

8000000

AUC

CHEST

0

100

200

300

400

500 LIVER

RLU

VehiclePCUD 3mg/kgBZA 10mg/kgBZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kgRaloxifene 10mg/kg

Luciferase enzymatic activityPhoton emission

Biserni et al, in preparation

Page 28: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2110000

40000

70000

100000

REPRODUCTIVE AREA

Days

Phot

on e

mis

sion

p/

s/cm

2/sr

0

500000

1000000

1500000

2000000

AUC

°**

VehiclePCUD 3mg/kgBZA 10mg/kgBZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kgRaloxifene 10mg/kg

Effects of SERMs on ER activity – in vivo imaging

CHRONIC treatment (21 days)

Biserni et al, in preparation

Page 29: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Effects of SERMs on ER activity – in vivo imaging

CHRONIC treatment (21 days)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2120000

40000

60000

80000

100000

TAIL

Days

Phot

on e

mis

sion

p/

s/cm

2/sr

0

500000

1000000

1500000

2000000

AUC

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2120000

40000

60000

80000

100000

LIMBS

Days

Phot

on e

mis

sion

p/

s/cm

2/sr

0

500000

1000000

1500000

2000000

AUC

VehiclePCUD 3mg/kgBZA 10mg/kgBZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kgRaloxifene 10mg/kg

Biserni et al, in preparation

Page 30: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

limb

0

100

200

300

400

500

AU

C

tail

0

50

100

150

200

250

AU

C

limb

0

50

100

150

200

250

cts/c

m2 s

(vs c

yc=

100%

)

tail

0

50

100

150

200300400500600

cts

/cm2 s

(vs c

yc=

100%

)

LIMB TAIL

ACUTE

CHRONIC

ovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAM

Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 31: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

hepatic

0

100

200

300

500150025003500

AU

C

abdomen

0

50

100

150

200

250

AU

C

hepatic

0

100

200

300

400500

100015002000

cts/c

m2 s

(vs

cy

c=

100

%)

abdomen

0

50

100

150

200

250

cts

/cm2 s

(vs c

yc=

100%

)

HEPATIC AREA ABDOMENACUTE

CHRONIC

ovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAM

Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 32: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

SERCHING FOR NOVEL MODALITIES TO MEASURE THE EFFICACY OF SERMs

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 210

100000

200000

300000

400000

CHEST

Days

Phot

on e

mis

sion

p/

s/cm

2/sr

AUC

N° peaks, amplitude, frequency

Page 33: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

0

3

6

9

12

0

2

4

6

8

0

3

6

9

12

0

2

4

6

8

Peak

s/21

dPe

riod

(d)

GENITAL AREA SKELETAL AREA

***

*

*

* ****

2

3

4

5

6

2

3

4

5

6

Ampl

itude

0

50

100

150

200

250

0

100

200

300400600800

**

* ***

050

100150200300450600

0

50

100

150

200

***

*

**

D

A

B

C

E

AUC

Pote

ncy

ovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAM

Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 34: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

PHENETICS OF DRUG ACTION

THE APPLICATION OF AGGLOMERATIVE HIERARCHICAL CLUSTERING

(AGGLOMERATIVE NESTING version 1.02 )

Page 35: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

2

4

6

8

0.1

1

10

100

1000

10

100

1000

10000

**p<0.01

0 2 4 6 81

10

100

2 4 6 8 0.1 1 10 100

**p<0.01

10 100 1000 10000

**p<0.01

peak number period amplitude AUC

per

iod

amp

litu

de

AU

Cp

ote

ncy

a

period 0.04

amplitude 0.05 <0.01

AUC 0.03 0.05 0.96

potency 0.10 0.05 0.76 0.46

peaks number

period amplitude AUC

b

DEGREE OF FUNCTIONAL CORRELATION AMONG THE PARAMETERS SELECTED

Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 36: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Space-temporal analysis of drug action in living animals

clustering data to generate novel families of compounds

Genital area

Skeletal area

ovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMRando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 37: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Genital area

Skeletal area

Reverse Medicinal ChemistryA

B

C

Cl

ovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAMovx cyc E2 CE CE+BZA BZA RAL10RAL2 LAS OSP TAM

Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

Page 38: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

CONCLUSION 1

Adding the time dimension to the study of drug activity leads to a novel ability to define drug efficacy

Page 39: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

2000

4000

6000

8000

LIMBGENITALAREAHEPATIC AREA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220

20000

40000

60000

80000

LIMBGENITAL AREAHEPATIC AREA

INTACT

OVX

Biserni et al. in preparation

Page 40: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

TISSUE SPECIFIC EFFECT OF OVX ON THE AMPLITUDE AND FREQUENCY OF ER ACTIVITY

Page 41: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

CONCLUSION 2

The possibility to measure in vivo the activity of estrogenic compounds on their target, may lead to the identification of novel and more efficacious therapies for the post-menopause

Page 42: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

Funding: EU Strep EWA EWA LSHM-CT-2005-518245

EU IP CRESCENDO LSHM-CT-2005-018652

EU NoE DIMI LSHB-CT-2005-512146

NIH RO1(AG027713)

University of MilanCenter of Excellence on

Neurodegenerative Diseaseas

Collaborators at Milan University: Paola Campadelli

David Horner

Paolo CianaElisabetta Vegeto

Gianpaolo RandoValeria BenedusiSara Della TorreCristina VantaggiatoCristian IbarraBalaji RamachandranAndrea BiserniMonica RebecchiClara Meda

Page 43: INGEGNERIA ANIMALE APPLICAZIONI

“The whole is more than the sum of its parts “Aristotle (384 BC – 322 BC)Methapysics

The real impact of molecular engineering on drug discovery

MODERN PHARMACOLOGY NEEDS TO REVISIT ANIMAL

MODELS