Síntesis y propiedades fotodinámicas de fullerenos C60 como agentes fototerapéuticos

Abstract

La "edad de oro" de la terapia antimicrobiana comenzó con el descubrimiento de los antibióticos. Sin embargo el uso generalizado de agentes antimicrobianos produjo el aumento de resistencia a los antibióticos por parte de bacterias y otros microorganismos infecciosos. Así, la inactivación fotodinámica (PDI) se ha convertido en una estrategia emergente para el tratamiento de microorganismos patógenos. Con el fin de evaluarlos como fotosensibilizadores para PDI, se sintetizaron cuatro derivados del fullereno C60 (MPC60, DPC602+, MMC60 y DMC603+). Estos compuestos absorben principalmente en la región ultravioleta. Estudios cinéticos con distintos sustratos indican que producen eficientemente especies reactivas de oxígeno (ROS) por ambos mecanismos fotodinámicos (Tipo I y Tipo II). Estudios in vitro de PDI con la bacteria Gram positiva Staphyloccocus aureus indicaron que los fullerenos catiónicos son más eficientes, produciendo ambos fotosensibilizadores una PDI de 99.99% con una concentración de 0,5 µM, luego de 30 min de irradiación. Con la bacteria Gram negativa Escherichia coli sólo DMC603+ mostró fotoinactivación, con un 99,97% de eficacia a 1 µM y 30 min de irradiación. Por lo tanto, DMC603+ es una molécula muy efectiva para la PDI de bacterias Gram positivas y Gram negativas. Además la PDI puede potenciarse relevantemente con ioduro de potasio (KI).Por otro lado, para disminuir la desventaja principal del C60 como fotosensibilizador relacionada a sus bajas absorciones en el visible, se propuso el diseño de díadas conformadas por una antena captadora de luz y dadora de energía unida al C60. Como antenas se propusieron fluoróforos derivados del BODIPY. Se realizó la síntesis de dos BODIPYs (BDP2 y BDP4). Éstos presentan una importante absorción en la región verde del espectro. En la emisión se observó una disparidad en las intensidades debido a las diferencias estructurales. Se evidenció una baja producción de oxígeno singlete (O2(1g)), y una contribución del mecanismo tipo I. Las propiedades fotodinámicas se estudiaron en presencia de KI. Se observó un aumento del entrecruzamiento de sistemas (ISC) por efecto de átomo pesado externo, que incrementa la producción de ROS y genera especies reactivas de iodo. Ambos BODIPYs inactivan eficientemente S. aureus, alcanzando una PDI completa con una concentración de 1 M y 5 min de irradiación. En E. coli, se encontró una mayor inactivación con 5 M de BDP4. En presencia de I- se potenció sustancialmente la PDI de ambos BODIPYs, alcanzando una eficiencia total para BDP2 y BDP4. De esta manera, se comprobó que tales BODIPYs pueden utilizarse dualmente como agentes teranósticos, ya sea como fluoróforos para imágenes de diagnóstico celular y como fotosensibilizadores combinados con KI para PDI.Finalmente se sintetizaron dos díadas (BDP-C60 y BDP-C602+), utilizando como antenas a BDP2 y su precursor sin metilar (BDP1). Los espectros de absorción son una combinación lineal de los espectros de las estructuras individuales. Ambas estructuras, muestran una emisión muy débil, lo que revela una desactivación importante del estado excitado singlete del BODIPY por parte del C60. La espectroscopía de especies transitorias demuestra un preponderante proceso fotoinducido de transferencia de energía (PET) en tolueno, y la aparición de un proceso de transferencia de electrones (PeT) en un medio más polar de dimetilformamida (DMF). Los estudios de fotooxidación mostraron una mayor producción de ROS para BDP-C60 y BDP-C602+ en comparación a las unidades estructurales. Los ensayos de PDI indicaron que la díada catiónica es un fotosensibilizador más efectivo para la fotoinactivación de S. aureus, presentando una inactivación de 99,999% con una concentración de 5 M y 30 min de irradiación con luz visible, mostrando contribución de ambos mecanismos fotodinámicos. Los resultados obtenidos para las díadas de BODIPY-C60 demuestran que estos nuevos diseños estructurales pueden potenciar la acción fotodinámica del fullereno C60 por efecto antena, optimizando la PDI en sitios donde se requiera de mayor penetración de la luz.

The "golden age" of antimicrobial therapy began with the discovery of antibiotics. However the widespread use of antimicrobial agents has led to increased resistance to antibiotics by bacteria and other infectious microorganisms. Thus, photodynamic inactivation (PDI) has become an emerging strategy for the treatment of pathogenic microorganisms.In order to evaluate them as photosensitizers for PDI, four C60fullerene derivatives were synthesized (MPC60, DPC602+, MMC60y DMC603+). These compounds absorb mainly in the ultraviolet region. Kinetic studies with different substrates indicate that efficiently produce reactive oxygen species (ROS) by both photodynamic mechanisms (Type I and Type II).In vitrostudies of PDI with Gram positive bacteria Staphyloccocus aureus indicated that cationic fullerenes achieve the highest inactivation,producing both photosensitizers aPDI of 99.99% with a concentration of 0.5 μM and after 30 min of irradiation.Gram negative bacterium Escherichia coli only showed an effective inactivation with DMC603+, exhibiting a PDI of 99.97% with 1 Mof concentration and 30 min of irradiation. Therefore, DMC603+is a very effective molecule for the PDI of Gram positive and Gram negative bacteria.In addition, PDI can be significantly enhanced with potassium iodide (KI). On the other hand, in order to diminish the main disadvantage of the C60as a photosensitizer related to its low absorptionsin the visible, the design of dyads was proposed. They wereformed by a light-harvesting antennaand an energy donorattached to the C60. As antennas, fluorophores derived from BODIPY were proposed.The synthesis of two BODIPYs (BDP2 and BDP4) was performed. These present an important absorption in the green region of the spectrum. In the emission a disparity in the intensities was observed due to the structural differences. There was evidence of a low production of singlet oxygen (O2(1g)), and a contribution of type I mechanism.The photodynamic propertiesare studied in the presence of KI. An increase in theintersystem crossing (ISC)due to the effect of external heavy atom was observed,which increases ROS production and generates reactive iodine species. Both BODIPYs efficiently inactivate S. aureus, reaching a complete PDI with 1 μM and 5 min of irradiation. In E. coli, greater inactivation was found with 5 μM of BDP4. In the presence of I-the PDI of both BODIPYs was substantially potentiated, reaching a total efficiency for BDP2 and BDP4. In this way, it was found that such BODIPYs can be used dually as theranosticagents, either as fluorophores for cellular diagnostic images and as photosensitizers combined with KI for PDI. Finallytwo dyads were synthesized (BDP-C60and BDP-C602+), employingBDP2and its unmethylated precursor (BPD1) as light-harvesting antennas.The absorption spectra correspond to the a linear combination of the spectra of the individual structures. Both structures show a very weak emission, which reveals an important quenching ofthe singlet excited state of the BODIPY by the C60.Transient spectroscopy demonstrates a predominantly photoinduced energy transfer process (PET) in toluene, and the appearance of a photoinduced electron transfer process(PeT) in a more polar medium of dimethylformamide(DMF).The photooxidation studies showed a higher production of ROS for BDP-C60and BDP-C602+compared to the structural units.In vitrostudies indicated that the cationic dyad is a more effective photosensitizer for the photoinactivationof S. aureus, presenting aPDI of 99.999% with 5 μmof concentrationand 30 min of irradiation, showing contribution of both photodynamic mechanisms.The results obtained for the dyads of BODIPY-C60show that these new structural designs can enhance the photodynamic action of the C60 fullerene by antenna effect, optimizing the PDI in places where greater penetration of light is required.