Studio di efficacia di molecole chetogeniche ottenute tramite sintesi enzimatica da materiale di recupero.

Introduzione:

Le biomasse di scarto, che residuano al termine di un determinato processo produttivo, sono un costo per lo smaltimento per l’industria che le produce, oltre che un problema in termini ambientali. Questo progetto si propone di valorizzare gli scarti della paglia attraverso la produzione di monomeri ed oligomeri dell’acido butirrico. Tale composto risulta una materia prima ad alto valore aggiunto per la produzione di esteri e beta-idrossiesteri chirali. Dal punto di vista farmaceutico, tali composti rientrano nella categoria dei corpi chetonici. Tra i corpi chetonici, il più rilevante è il β-idrossibutirrato (BHB), che viene rilasciato dal fegato per essere assorbito dai muscoli e dal cervello. Infatti, nonostante i tessuti cerebrali utilizzino principalmente il glucosio per la generazione di ATP, in caso di ipoglicemia i corpi chetonici e il BHB diventano la loro principale fonte di energia. Il BHB è responsabile della generazione di energia a causa del suo coinvolgimento nella produzione di acetoacetato e acetilCoA, che infine partecipa al ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA). Rilevanza: La dieta chetogenica prolungata ha il principale svantaggio di aumentare il rischio di chetoacidosi, che consiste nell'accumulo di corpi chetonici che porta all'acidificazione del sangue, all'iperglicemia e alla disidratazione. Per evitare il rischio di chetoacidosi pur sfruttando le caratteristiche benefiche dei corpi chetonici, una possibile soluzione potrebbe essere rappresentata dalla supplementazione di chetoni esogeni. In letteratura è già stata studiata l'influenza dell'assunzione esogena di BHB su prestazione e resistenza fisica [1, 2]. Nonostante queste molteplici prove sull'integrazione di BHB negli atleti, l'effetto del BHB esogeno su altri tipi di cellule, come la microglia e le cellule staminali neurali, non è ancora chiaro. Inoltre, è stato recentemente dimostrato che le diete chetogeniche sono neuroprotettive [3, 4], probabilmente a causa della relazione diretta tra chetoni e autofagia neuronale, il che suggerisce l'applicazione dell'integratore di chetoni come terapia innovativa nelle malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer.

Metodo:

Il progetto si compone di tre WPs: WP1: Le analisi sugli effetti in vitro del composto DAG/MAG-BHB su cellule microgliali e staminali neurali umane, prenderanno in esame la sicurezza e l’efficacia nella neuroprotezione e differenziamento cellulare. Il progetto si propone di dimostrare in un modello in vitro di patologie neurodegenerative che il composto DAG/MAG-BHB è in grado di attraversare la barriera ematoencefalica e mantenere vitali le cellule neuronali anche in condizioni estreme come alta e bassa concentrazione di glucosio, analizzando la produzione di acetilCoA, piruvato e lattato, l’attività mitocondriale e l’autofagia. Tale attività si svolgerà presso l’Università di Ferrara. WP2: La trasformazione dei cascami in corpi chetogenici ha portato allo sviluppo di una metodologia sintetica ed analitica dedicata. Durante un periodo di almeno 6 mesi presso l’azienda, verrà studiata la sintesi in flusso di beta-idrossiesteri e beta-idrossichetoni (DAG/MAG-BHB) al fine di migliorarne la resa. Questo comporterà analisi chimiche e biologiche di funzionalità delle molecole prodotte. In tale contesto verranno preparati anche i documenti necessari per la richiesta ad enti di controllo quali EFSA e FDA. WP3: Lo svolgimento di analisi biologiche sia in vitro che in vivo verrà condotto all’estero, per un periodo non inferiore ai 6 mesi. La collaborazione con Betterhumans Inc, onlus no-profit della Florida, organizzazione prima al mondo nella ricerca biomedica sull’invecchiamento umano, consentirà di effettuare analisi di espressione genica e di preparazione dei trial clinici. L’obiettivo del progetto, durante il periodo all’estero, sarà quello di documentare gli effetti sia in vitro che in vivo durante le varie fasi dello sviluppo dei mammiferi con un focus su quelli che si verificano durante l'invecchiamento, quali l’ipoacetilazione dovuta alla graduale riduzione dei chetoni endogeni. Nel laboratorio di Betterhumans Inc sono in corso colture di cellule staminali mesenchimali umane derivate dalla placenta. Queste cellule saranno sottoposte al trattamento con varie concentrazioni di DAG/MAG-BHB, per misurare la tossicità cellulare, i cambiamenti dell'esosoma, i marcatori di superficie, la confluenza, la differenziazione e altre variabili. Saranno inoltre disponibili topi e ratti sui quali saranno misurati i cambiamenti mediani e massimi della durata di vita dei roditori trattati con DAG/MAG-BHB, nonché i valori ematici di varie citochine anti- e pro-infiammatorie, rispetto ai controlli. Sulla base delle informazioni che verranno ottenute, si valuteranno anche i livelli di espressione genica (QuantStudio 7-Pro, Ion Torrent S5) e la funzione mitocondriale (Oroboros O2k FluroRespirometer). Lo spettrometro di massa Waters Xevo G2-Xs sarà in grado di misurare i cambiamenti del metabolita NAD+, nonché la proteomica nel sangue circolante ed in vitro.

Obbiettivi:

Lo studio di ricerca proposto si concentrerà sul miglioramento della sintesi del composto chetonico DAG/MAG BHB a partire da cascami della paglia. Questo progetto si propone inoltre di studiare gli effetti in vitro ed in vivo di tale composto sul differenziamento cellulare del sistema nervoso centrale, al fine di dimostrarne la sua sicurezza e l’efficacia nella neuroprotezione. Risultati attesi: Questo progetto si propone di sviluppare prodotti innovativi orientati al benessere dell’uomo, come nutraceutici e/o farmaceutici per la prevenzione dell’invecchiamento e della neurodegenerazione. Ciò porterà allo sviluppo di nuovi prodotti ad alto valore aggiunto in termini di neutralità climatica, in quanto recupero di scarti, reimmettendoli nei cicli biochimici. Tale progetto porterà alla sottomissione di brevetti e di pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali e presentazioni a convegni. Verranno inoltre avviate le richieste agli enti regolatori (EFSA, FDA).

Bibliografia:
1.Rodger, Shem, Daniel Plews, Paul Laursen, and Matthew Driller. The Effects of an Oral Β-Hydroxybutyrate Supplement on Exercise Metabolism and Cycling Performance; Journal of Science and Cycling 6, no. 1 (2017): 26-31.
2. Evans, M., E. Patchett, R. Nally, R. Kearns, M. Larney, and B. Egan. Effect of Acute Ingestion of Beta-Hydroxybutyrate Salts on the Response to Graded Exercise in Trained Cyclists. Eur J Sport Sci 18, no. 3 (2018): 376-86.
3. Kwak, S. E., J. H. Bae, J. H. Lee, H. E. Shin, D. Zhang, S. C. Cho, and W. Song. Effects of Exercise- Induced Beta-Hydroxybutyrate on Muscle Function and Cognitive Function. Physiol Rep 9, no. 3 (2021): e14497.
4. Norwitz, N. G., M. T. Hu, and K. Clarke. The Mechanisms by Which the Ketone Body D-Beta-Hydroxybutyrate May Improve the Multiple Cellular Pathologies of Parkinson’s Disease. Front Nutr 6 (2019): 63

UNICHEM ESTENSE S.R.L. - Via Luigi Borsari, 46, 44121, Ferrara

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green technologies
Articolazione 4 Riduzione dei rifiuti e della domanda di critical raw materials tramite approcci di disassembling e materials recovery, remanufacturing e refurbishing.
Articolazione 5 Industrial symbiosis, co-located assets.

5.6.3 Bioindustria per la bioeconomia
Articolazione 2 Bioindustria circolare. (Priorità 2a).
Articolazione 3 Recupero e valorizzazione di scarti e prodotti organici a fine vita, per la rigenerazione dei suoli e la protezione dell’ambiente. (Priorità di ricerca 3a).

Questo progetto consentirà di sviluppare prodotti ad alto valore tecnologico con basso impatto ambientale e con una ricaduta locale sulla valorizzazione di scarti di produzione, riducendone i costi di smaltimento. Questo permetterà di valorizzare la biodiversità e integrare le competenze nei settori delle biotecnologie, della chimica e della nutraceutica, farmaceutica e cosmetica, rispondendo pienamente ai criteri di sostenibilità ed economia circolare. La ricaduta sarà quindi da una parte ambientale, favorendo la riduzione dei consumi di materie fossili, dall’altra economica, come ritorno di economia sul territorio, configurandosi nell’economia circolare virtuosa, e sociale, in quanto prodotti innovativi orientati al benessere dell’uomo, come nutraceutici e/o farmaceutici per la prevenzione dell’invecchiamento e della neurodegenerazione. Ciò porterà allo sviluppo di nuovi prodotti ad alto valore aggiunto in termini di neutralità climatica, in quanto recupero di scarti, reimmettendoli nei cicli biochimici.

• Green chemistry
• Nutraceutica
• Neurodegenerazione
• Sostenibilità