A digoxina é um dos medicamentos indicados para o tratamento de falência cardíaca. Possui janela terapêutica estreita, sendo responsável por casos de intoxicação. O único antídoto disponível para a desintoxicação é o anticorpo policlonal DigiFab®, no formato Fab. O seu uso é eficaz, porém de custo elevado. Clones bacterianos produtores de fragmento Fab monoclonal anti-digoxina foram obtidos previamente pelo nosso grupo, pela técnica de phage display. Neste trabalho as variantes Fab dos 4 clones foram expressas em E.coli para estabelecer o método para a purificação. Com a obtenção dos fragmentos Fab purificados, foi caracterizada a sua afinidade ao antígeno e especificidade, em ensaios de inibição por digoxina, digitoxina, digoxigenina e ouabaina. Os parâmetros cinéticos da ligação dos fragmentos Fab dos 4 clones e do DigiFab® foram avaliados por SPR. Nas condições experimentais, não foram verificadas diferenças significativas entre os produtos dos 4 clones e o comercial, demonstrando o potencial dos fragmentos Fab monoclonais obtidos como antídoto à digoxina. / Digoxin is a medication indicated for heart failure treatment. Its therapeutic window is narrow, being responsible for intoxication cases. The only antidote available for the detoxification is a polyclonal antibody - DigiFab® in Fab format. Its use is effective, but costly. Bacterial clones producing anti-digoxin monoclonal Fab fragments were previously obtained by our group using phage display technology. In this work the Fab variants of the 4 clones were expressed in E.coli to establish the purification method. The purified fragments were characterized regarding the affinity to the antigen and the specificity through inhibition assays with digoxin, digitoxin, digoxigenin and ouabain. The binding kinetic parameters of Fab fragments of the 4 clones and the commercial product to Dig-BSA conjugate were assessed by SPR. Under the experimental conditions no significant differences were observed among the 4 clones and the commercial product, demonstrating the potential of monoclonal Fab fragments as an antidote to digoxin.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed

Os receptores dos hormônios da tireóide (TRs) são fatores de transcrição envolvidos na diferenciação celular, metabolismo e funções fisiológicas da maioria dos tecidos. Muitos estudos mostram que diversos efeitos farmacológicos mediados pelos TRs podem ser benéficos na farmacoterapia, especialmente aqueles mediados pelo TR que podem ser úteis em condições médicas importantes como obesidade, hipercolesterolemia e diabetes. Além disso, a descoberta que o TR é a isoforma predominante no coração, mediando a maioria dos efeitos cardiovasculares prejudiciais, estimulou a pesquisa por ligantes seletivos para o TR que poderiam ser utilizados em quadros clínicos importantes com perfil de segurança aceitável. Foi realizado um estudo das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR) de um conjunto de compostos com atividade biológica descrita para TR e TR, que gerou modelos de Holograma QSAR com elevada consistência interna e externa, apresentando bom poder de correlação e predição das propriedades biológicas. Também foi realizado um minucioso estudo de triagem virtual, que propiciou a seleção de 7 compostos que foram adquiridos para terem suas atividades biológicas avaliadas. Ensaios de transfecção e gene repórter foram estabelecidos e utilizados na avaliação da atividade biológica dos compostos selecionados pelo ensaio virtual. Finalmente, um ensaio utilizando ressonância plasmônica de superfície (SPR) foi desenvolvido e utilizado para avaliar a atividade agonista desses compostos, e que pode ser útil para avaliar a atividade de novos ligantes. A técnica de SPR também foi empregada em um cuidadoso estudo da interação do TR com seus correguladores, que incluiu estudos cinéticos e termodinâmicos, propiciando a determinação das taxas cinéticas e parâmetros termodinâmicos para a interação do complexo TR-T3 com peptídeos derivados de dois de seus correguladores. Os resultados obtidos são relevantes e devem ser considerados no planejamento de futuros experimentos utilizando o LBD de TR e agonistas. / The thyroid hormone receptors (TRs) are transcriptional factors involved in cell differentiation, development, metabolism and physiological function of most tissues. Many lines of evidence show that several pharmacological actions of TRs might be beneficial in medical therapy, specially those mediated by TR that target important medical conditions like obesity, hypercholesterolemia and diabetes. Additionally, the findings that TR is the predominant isoform in the heart and mediates most of the TRs deleterious cardiovascular effects, stimulated the research for selective TR ligands which could address important medical needs with an acceptable safety profile. In this PhD thesis, studies of the quantitative structure-activity relationships (QSAR) of a dataset of compounds with reported biologic activity for both TR and TR were performed, and statistically significant Hologram QSAR models with good predictive ability for untested compounds were created. In parallel, a careful virtual screening procedure was executed, leading to the selection of 7 compounds which were purchased for the evaluation of their biological activities. Cell transfection and reporter gene assays were developed, validated and used to evaluate the biological activities of these compounds. Finally, a surface plasmon resonance (SPR) assay was developed and used to assess the agonistic activity of these compounds. The SPR technique was also employed in a careful study of the interaction between the ligand binding domain of TR and peptides derived from its coregulators, which included the determination of the kinetic and thermodynamic parameters for this interaction. The results suggest that flexibility plays an important role in the interaction between the receptor and its coregulators, and point out important aspects of experimental design that should be addressed when using TR LBD and its agonists. Furthermore, the methodology described here may be useful for the identification of new TR ligands.

Os receptores dos hormônios da tireóide (TRs) são fatores de transcrição envolvidos na diferenciação celular, metabolismo e funções fisiológicas da maioria dos tecidos. Muitos estudos mostram que diversos efeitos farmacológicos mediados pelos TRs podem ser benéficos na farmacoterapia, especialmente aqueles mediados pelo TR que podem ser úteis em condições médicas importantes como obesidade, hipercolesterolemia e diabetes. Além disso, a descoberta que o TR é a isoforma predominante no coração, mediando a maioria dos efeitos cardiovasculares prejudiciais, estimulou a pesquisa por ligantes seletivos para o TR que poderiam ser utilizados em quadros clínicos importantes com perfil de segurança aceitável. Foi realizado um estudo das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR) de um conjunto de compostos com atividade biológica descrita para TR e TR, que gerou modelos de Holograma QSAR com elevada consistência interna e externa, apresentando bom poder de correlação e predição das propriedades biológicas. Também foi realizado um minucioso estudo de triagem virtual, que propiciou a seleção de 7 compostos que foram adquiridos para terem suas atividades biológicas avaliadas. Ensaios de transfecção e gene repórter foram estabelecidos e utilizados na avaliação da atividade biológica dos compostos selecionados pelo ensaio virtual. Finalmente, um ensaio utilizando ressonância plasmônica de superfície (SPR) foi desenvolvido e utilizado para avaliar a atividade agonista desses compostos, e que pode ser útil para avaliar a atividade de novos ligantes. A técnica de SPR também foi empregada em um cuidadoso estudo da interação do TR com seus correguladores, que incluiu estudos cinéticos e termodinâmicos, propiciando a determinação das taxas cinéticas e parâmetros termodinâmicos para a interação do complexo TR-T3 com peptídeos derivados de dois de seus correguladores. Os resultados obtidos são relevantes e devem ser considerados no planejamento de futuros experimentos utilizando o LBD de TR e agonistas. / The thyroid hormone receptors (TRs) are transcriptional factors involved in cell differentiation, development, metabolism and physiological function of most tissues. Many lines of evidence show that several pharmacological actions of TRs might be beneficial in medical therapy, specially those mediated by TR that target important medical conditions like obesity, hypercholesterolemia and diabetes. Additionally, the findings that TR is the predominant isoform in the heart and mediates most of the TRs deleterious cardiovascular effects, stimulated the research for selective TR ligands which could address important medical needs with an acceptable safety profile. In this PhD thesis, studies of the quantitative structure-activity relationships (QSAR) of a dataset of compounds with reported biologic activity for both TR and TR were performed, and statistically significant Hologram QSAR models with good predictive ability for untested compounds were created. In parallel, a careful virtual screening procedure was executed, leading to the selection of 7 compounds which were purchased for the evaluation of their biological activities. Cell transfection and reporter gene assays were developed, validated and used to evaluate the biological activities of these compounds. Finally, a surface plasmon resonance (SPR) assay was developed and used to assess the agonistic activity of these compounds. The SPR technique was also employed in a careful study of the interaction between the ligand binding domain of TR and peptides derived from its coregulators, which included the determination of the kinetic and thermodynamic parameters for this interaction. The results suggest that flexibility plays an important role in the interaction between the receptor and its coregulators, and point out important aspects of experimental design that should be addressed when using TR LBD and its agonists. Furthermore, the methodology described here may be useful for the identification of new TR ligands.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed