Test e Validazione di un modello matematico dei pathways metabolici del Sildenafil

Abstract

La ricerca biomedica è multidisciplinare e utilizza approcci integrati, servendosi di modelli sperimentali diversi. I modelli sperimentali si suddividono in metodi biologici, modelli in vivo e in vitro, e metodi in silico, basati sull’utilizzo del computer per creare i modelli necessari allo svolgimento di studi biologici.

Lo scopo del presente elaborato di tesi è di effettuare la validazione quantitativa di un modello di pathways metabolici, sviluppato da uno studente dell’Università di Pisa in collaborazione con Teoresi, per lo studio dell’azione di farmaci, nel caso specifico del principio attivo Sildenafil contenuto nel farmaco Viagra. Il modello sviluppato consente di modellare il pathway metabolico NO/cGMP che porta al rilassamento della muscolatura liscia. A seguito della validazione del modello, il secondo obiettivo del lavoro di tesi è di effettuare uno studio di docking molecolare al fine di verificare l’eventuale compatibilità dell’utilizzo di Sildenafil per ulteriori applicazioni cliniche diversa da quelle già approvate dai vari enti governativi. Lo studio di docking molecolare è un metodo computazionale utilizzato per prevedere la possibile interazione tra una macromolecola, il recettore, ed una piccola molecola, il ligando, a partire dalle informazioni sulla loro struttura tridimensionale. In questo lavoro di tesi si vuole valutare la possibile applicazione del Sildenafil alla muscolatura liscia renale per il trattamento delle lesioni da ischemia e riperfusione renale. Il modello è un modello sviluppato in Python, un linguaggio di programmazione ad alto livello orientato ad oggetti. Per lo studio di docking molecolare è stato deciso di utilizzare come software Autodock Vina, programma open-source. I dati reali utilizzati per effettuare la validazione del modello sono stati ricavati da un’analisi dei trials clinici, che prevedevano l’utilizzo del principio attivo Sildenafil per il trattamento di diverse patologie, quali la disfunzione erettile o l’ipertensione arteriosa polmonare, ad esempio.

Obiettivo tesi

Obiettivo del presente elaborato di tesi è quello di effettuare una validazione quantitativa del modello di pathways metabolici precedentemente sviluppato da una collaborazione tra Teoresi e l’Università di pisa, testando il modello utilizzando dati ricavati da trials clinici effettuati utilizzando il principio attivo Sildenafil su pazienti affetti da diverse patologie. Ioltre, attraverso uno studio di docking molecolare verrà valutata la possibile applicazione del Sildenafil sulla muscolatura liscia renale per il trattamento di una patologia precedentemente identificata, vale a dire le lesioni da ischemia/riperfusione renale.

Metodologia di ricerca

Validazione modello attraverso quattro test sperimentali in Python e simulazioni di docking molecolare.

Conclusioni

Il modello presenta delle limitazioni: per bassi dosaggi (1,5, 20 mg) sottostima l’andamento di concentrazione del principio attivo Sildenafil, mentre l’andamento di concentrazione di cGMP si avvicina a quanto riportato in letteratura, per dosaggi elevatto (50, 60, 100 mg) vi è una sovrastima di concentrazione residua di cGMP, mentre il modello si avvicina alla letteratura per quanto riguarda la concentrazione di Sildenafil. Lo studio di docking molecolare ha evidenziato come possibile nuova molecola target del Sildenafil per il trattamento della patologia renale identificata le Calpaine, ma non le Caspasi-3. Il Sildenafil si inserisce nella tasca idrofobica della Calpaina così come il suo inibitore chimico PD150606. Lo studio di docking molecolare sembrerebbe confermare quanto riportato in letteratura, ovvero che l’attivazione delle Calpaine sia a monte dell’attivazione delle Caspasi-3 nell’apoptosi e che un’inibizione dell’attività Caspasi-3 a seguito dell’assunzione di Sildenafil sia dovuta ad un’inibizione delle Calpaine.

Sviluppi futuri

In futuro si prevede l’ottimizzazione del modello per consentire la simulazione anche in condizioni patologiche e validare quantitativamente il modello, rivalutanto, ad esempio, le ipotesi e semplificazioni adottate per lo sviluppo del modello o implementando ulteriori funzioni per consentire la descrizione dell’intero metabolismo. Si prevede, inoltre, l’identificazione di ulteriori molecole target per il trattamento della patologia renale utilizzando il Sildenafil e uno studio di docking molecolare per verificare la possibile interazione con tali molecolare.