Laboratorio di proteomica funzionale, metabolomica e studio delle reti molecolari
L’attività di ricerca del Laboratorio è dedicata alla Proteomica e alla Metabolomica, branche della biologia molecolare che studia il proteoma ed il metaboloma, con l’obiettivo di identificare lo spettro di proteine/metaboliti espresso in condizioni fisiologiche e di monitorarne l’alterazione in stati differenti o in seguito a trattamenti. Lo scopo è quello di comprendere quali siano i meccanismi alla base dell’insorgenza delle malattie cardiovascolari, definirne le alterazioni proteiche/metabolomiche e identificare bersagli molecolari di potenziali agenti farmacologici. Lo spettro di applicazioni della proteomica e della metabolomica e è molto ampio e va dallo sviluppo di nuovi biomarcatori allo studio della funzione di un gene. A tale fine, l’attività di ricerca richiede imprescindibilmente un elevato grado di integrazione di competenze scientifiche e tecnologiche che spaziano dalla spettrometria di massa alla biologia cellulare e molecolare fino alla farmacologia.
Il Laboratorio è presente nel panorama scientifico sia a livello nazionale sia a livello internazionale; in particolare a livello mondiale come partecipanti al progetto “The Mitochondrial Italian Human Proteome Project Initiative (mt-HPP); a livello europeo come unico Centro di Proteomica clinica nell’ambito del progetto MASSTRPLAN (H2020-MSCA-ITN-2015); nel consorzio europeo CA19105 - Pan-European Network in Lipidomics and EpiLipidomics (EpiLipidNET), e a livello nazionale come partecipanti al progetto per l’applicazione delle spettrometria di massa per la validazione di un nuovo marcatore di patologia cardiovascolare della Rete Cardiologica Italiana.
Progetti
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Proteomica delle lipoproteine umane: identificazione di nuovi mediatori del processo aterotrombotico
L’ aterotrombosi è la principale causa di insorgenza di eventi cardiovascolari e le lipoproteine aterogene svolgono un ruolo chiave nell’insorgenza dei processi patogenetici. Le LDL modificate, ad esempio, alterano le proprietà antitrombotiche dell'endotelio vascolare, riducendo la disponibilità di ossido nitrico endoteliale e inducendo attivazione di vie di segnalazione proinfiammatorie. Inoltre, le LDL influenzano anche le funzioni e le interazioni delle cellule presenti nelle lesioni aterosclerotiche, sia che provengano dalla circolazione o siano residenti nella parete vasale. Sulla base di queste considerazioni, è ampiamente riconosciuta in letteratura l’importanza di ridurre i livelli di colesterolo veicolato dalle lipoproteine aterogene per ridurre il rischio cardiovascolare, tuttavia è anche noto che le terapie al momento disponibili non sono ancora efficaci in tutti i soggetti trattati (Libby P., JACC 2005; 46:1225-8; Catapano AL., Atherosclerosis 2014; 237:319-35).
I meccanismi molecolari alla base della relazione tra livelli plasmatici di lipoproteine aterogene e rischio cardiovascolare, inoltre, non sono ancora stati del tutto chiariti. Modificazioni del corredo proteico delle lipoproteine potrebbe inoltre alterare la loro funzionalità e contribuire in questo modo allo sviluppo di patologie cardiovascolari. Tuttavia, la conoscenza delle componenti proteiche e del loro ruolo fisiologico è ancora parziale. Negli anni recenti l’avvento delle tecniche “omiche”, in particolare la proteomica, ha permesso di arricchire tale conoscenza portando all’identificazione di una serie di proteine la cui presenza nelle LDL era finora sconosciuta. Il nostro interesse si è focalizzato su una proteina che abbiamo identificato per la prima volta come appartenente alla struttura stessa delle lipoproteine umane e di cui non è noto il ruolo biologico.
Obiettivo di questo studio è quello di esaminare il ruolo di questa nuova proteina nell’eziopatogenesi del processo aterotrombotico, allo scopo di chiarire nel dettaglio le implicazioni biochimiche e cliniche derivanti dalla sua funzione biologica oppure derivanti da una sua inibizione qualora la si consideri come un possibile bersaglio farmacologico per lo sviluppo di nuove molecole per la cura o la prevenzione delle malattie cardiovascolari.
Identificazione di biomolecole ossidate mediante la spettrometria di massa quali marcatori diagnostici di patologie cardiovascolari
La scarsità di informazioni relative all’origine, al tipo e alla quantità di biomolecole ossidate (lipidi e proteine) circolanti nel plasma di soggetti con patologie cardiovascolari, in particolare nello scompenso cardiaco, ci spinge ad approfondire l’analisi di tali molecole con l’intento di acquisire conoscenze approfondite sull’eziopatogenesi e sulla progressione della patologia. Numerosi studi in vitro ed in vivo supportano l’ipotesi che lo scompenso cardiaco sia caratterizzato da uno stress ossidativo a livello cardiaco e sistemico, e che il danno ossidativo cronico possa contribuire all’indebolimento della funzione cardiaca e alla progressione clinica della patologia attraverso molteplici meccanismi.
In particolare, stimoli neurormonali sarebbero in grado di indurre ipertrofia dei miociti attraverso l’attivazione mediata da specie ossidanti (ROS) di altri componenti della cascata di trasduzione del segnale; la funzione contrattile dei miociti può essere alterata da un’aumentata produzione di ROS attraverso l’interruzione del ciclo del calcio, un’alterata risposta dei microfilamenti al calcio e altri effetti deleteri sul metabolismo energetico cellulare. Infine lo stress ossidativo contribuisce al rimodellamento inducendo uno stato fibrotico. La possibilità di monitorare profili di molecole ossidate potrebbe portare all’identificazione di nuovi marcatori diagnostici e prognostici dello scompenso cardiaco. Per raggiungere tale obiettivo l’Unità di proteomica si avvalerà della collaborazione di partner europei nell’ambito del Progetto MASSTRPLAN (MASS Spectrometry Training network for Protein Lipid adduct Analysis), (proposal number 675132) nell’ambito del Programma di Ricerca Horizon 2020, che prevede lo sviluppo e l’applicazione di metodologie innovative basate sulla spettrometria di massa per la determinazione di biomolecole ossidate.
Validazione di marcatori di danno della membrana alveolo-capillare nello scompenso cardiaco: sviluppo di una metodologia quantitativa basata sulla spettrometria di massa
Negli ultimi anni la spettrometria di massa è stata impiegata con successo nell’ambito della ricerca clinica e ad oggi costituisce una delle più promettenti tecnologie disponibili per l’identificazione e la quantificazione accurata di biomolecole in clinica diagnostica.
La tecnica selected reaction monitoring (SRM) o multiple reaction monitoring (MRM), nel caso in cui ioni multipli sono monitorati in una singola analisi, rappresenta una soluzione molto valida per la quantificazione accurata di proteine/peptidi di bassa concentrazione e delle loro modificazioni post-traduzionali o chimiche in miscele proteiche complesse (fluidi biologici o estratti tissutali). Tale approccio costituisce una scelta alternativa ai classici saggi basati sull’utilizzo di anticorpi che richiedono tempi lunghi di sviluppo e costi elevati, e presenta un’elevata sensibilità (attomoli) e selettività di analisi, in quanto è focalizzato esclusivamente su un numero limitato di peptidi piuttosto che sulla scansione dell’intero peptidoma. Frequentemente, la tecnica SRM (MRM) è stata anche impiegata nello studio di isoforme proteiche o di modificazioni post-traduzionali, quali ad esempio fosforilazione, glicosilazione e acetilazione. Tali variazioni proteiche sono molto importanti perché controllano e influenzano i processi biologici in cellule sane e patologiche, determinando quindi la diversità funzionale del proteoma umano.
Nel corso dei nostri studi abbiamo dimostrato che i livelli di una isoforma immatura della proteina del surfattante polmonare, la Surfactant Protein B (SP-B), sono molto elevati in pazienti affetti da scompenso cardiaco, probabilmente a causa della elevata pressione polmonare microvascolare che potrebbe provocare una alterazione dell’integrità della barriera alveolo-capillare con conseguente rilascio nel circolo di SP-B. Di fatto i livelli di SP-B circolante correlano con la disfunzione funzionale della membrana alveolo capillare (alterazione della diffusione dei gas), rappresentando di fatto uno specifico marcatore plasmatico di danno polmonare.
Tuttavia non sono disponibili saggi quantitativi, da applicarsi su ampia scala, per la determinazione dei livelli plasmatici delle diverse isoforme di SP-B. Tale ricerca, a cui parteciperanno gruppi di ricerca italiani aderenti alla Rete Cardiovascolare, si prefigge quindi di sviluppare un metodo quantitativo basato sulla spettrometria di massa per la determinazione dei livelli plasmatici delle isoforme di SP-B. lo sviluppo di tale metodologia consentirebbe di monitorare i livelli di SP-B che possano fungere da marcatore di danno polmonare in termini di disfunzione funzionale della membrana alveolo capillare.
