Hq-bashy as a novel platform for photodynamic therapy

Felicidade, João Francisco Alves Falcão

http://hdl.handle.net/10400.5/100905

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Authors

Felicidade, João Francisco Alves Falcão

Advisor(s)

Góis, Pedro Miguel Pimenta

Santos, Fábio Miguel Figueiredo

Abstract(s)

Nos dias de hoje, o cancro permanece como uma das doenças mais prevalentes e mortais a nível global. Apesar dos diversos avanços significativos das terapias anticancerígenas, a heterogeneidade desta doença continua a ser um desafio na clínica moderna. Fenómenos como resistência aos fármacos anticancerígenos, recorrência do mesmo cancro, processos de metastização e modificações intra e inter tumorais são os que mais contribuem para que esta patologia se mantenha como uma das mais mortais globalmente. Uma das técnicas que tem ganho mais atenção ao longo dos últimos anos consiste na terapia Fotodinâmica. Este método é utilizado sempre em concomitância com outro tratamento anticancerígeno, mas pode ser utilizado em monoterapia para outras patologias tais como o acne ou a psoríase. A terapia fotodinâmica tem evoluído com o objetivo de se tornar num tratamento minimamente invasivo, mas com uma precisão elevada para todas as patologias que por este método são tratadas. Este método baseia-se na interação de 3 componentes: um fotossensibilizador, um feixe de luz com um comprimento de onda específico e oxigénio molecular. Apesar destes componentes serem não tóxicos isoladamente, quando se juntam em terapia fotodinâmica, são capazes de desencadear reações que levam à formação de radicais de oxigénio dentro da célula-alvo, o que leva à destruição do tecido pretendido, e à consequente ativação do sistema imunitário. O fotossensibilizador. que é o componente essencial para o mecanismo de terapia fotodinâmina, pois é este que permanece inativo em circulação após injeção IV, é o composto que absorve o feixe de luz com um comprimento de onda específico, e após isto, é o mesmo que, já ativado, inicia reações fotoquímicas com o oxigénio molecular, originando espécies reativas de oxigénio, que irão acumular-se e consequentemente destruir as células-alvo. O oxigénio molecular, é o catalisador deste processo, uma vez que este reage com o fotossensibilizador, levando consequentemente à formação de radicais de oxigénio, que irão reagir a nível intracelular e consequentemente desencadear processos de stress celular. Este stress pode levar à degradação da célula tumoral por diversos tipos de morte celular (apoptose ou necrose), e consequentemente à emissão de citoquinas que estimulam o sistema imunitário no microambiente tumoral. Apesar de tudo, nem todos os fotossensibilizadores são apropriados para aplicações clínicas. Para aumentar a eficácia da terapia fotodinâmica, os cientistas têm procurado sintetizar um fotossensibilizador ideal, que seja seletivo para as células-alvo, que seja estável em meio fisiológico e no microambiente tumoral, e que não seja tóxico para as células saudáveis. Estudos recentes indicam que o fluoróforo híbrido entre um BASHY (boronic acid salicilidenehydrazone) e a cianina (cy-BASHY) demonstra potencial para ser utilizado como um fotossensibilizador. Este demonstrou uma forte capacidade de gerar singuletos de oxigénio, atingir rendimentos quânticos elevados e índices de fototoxicidade elevados. No entanto, o grande problema destes híbridos passa pela foto vi degradação, que é bastante característica nos fotossensibilizadores tipo cianina, solubilidade em água baixa e comprimentos de onda de absorção baixos, ou seja, longe da radiação de infravermelho próximo. Estas desvantagens restringem o potencial total desta molécula para terapia fotodinâmica. Neste trabalho, foi utilizada a modularidade característica das plataformas fluorescentes dos BASHYs para ultrapassar as limitações do híbrido BASHY-cianina. Para alcançar este objetivo, foram realizadas três modificações à estrutura habitual dos BASHYs, para se obter este resultado: aumento da estabilidade do core, modificação das propriedades push-pull do fluoróforo e rigidificação/proteção da foto degradação da molécula pelo oxigénio. A descoberta e consequente inserção de um grupo de hidroxiquinona na posição aceitadora da plataforma, poderá ser o que é necessário para que se evite a foto degradação dos grupos polimeteno. Uma vez que este grupo funcional possui um anel aromático extra, bem como um grupo carbonilo, é expectável que o comprimento de onda de absorção desta molécula acabe por aumentar, não só pela inserção de um grupo electro atractor, mas também pela rigidificação da molécula e prolongamento da conjugação π. Para além disso. Para além disso, a existência de uma ligação dupla, ligação que acreditamos que seja o grupo funcional que despolete a reação com o oxigénio e formação de radicais, encontra-se com a carga deslocalizada e protegida pelo grupo fenilo. Desta forma, este grupo funcional poderá estar menos disponível para ser degradado, e os fenómenos de photobleaching poderão ser reduzidos. Neste trabalho também conseguimos modificar as propriedades push-pull do BASHY, de modo a obter uma molécula com um comprimento de onda de absorção mais perto do infravermelho próximo. Ao prevenir a rotação do nosso grupo eletrodador, dietilamina, substituindo-o por um grupo funcional mais rígido como a julolidina, podemos prevenir a perda de energia por processos de decaimento não radioativos, e aumentar o comprimento de onda de absorção e de emissão. Isto é vantajoso, pois assim, o feixe de radiação incidente para ativar estes fotossensibilizadores tem um maior comprimento de onda e, ao receber esta radiação, as células saudáveis não são afetadas pela mesma. Também decidimos alterar a estabilidade da molécula, uma vez que uma das principais desvantagens deste fotossensibilizador é a sua instabilidade em meio fisiológico. Para corrigir esta situação, foram realizados estudos computacionais, de modo a encontrar o grupo funcional que melhor estabiliza a molécula no carbono da imina, zona funcional mais sensível ao ataque nucleofílico da água. Com estas otimizações, pretendemos aumentar o potencial dos BASHY para terapia fotodinâmica.

Cancer remains one of the leading causes of death globally. Even though anticancer therapies have advanced significantly, challenges such as drug resistance, recurrence, and metastasis continue to deter the achievement of complete remission. In recent years, photodynamic therapy (PDT) has evolved to a minimally invasive treatment with precise control over cancer and other diseases. PDT is based on the interaction of three non-toxic components: a PS, light of a specific wavelength, and molecular oxygen. When these components come together, they trigger a therapeutic reaction that can effectively target and destroy diseased tissue while also engaging the immune system. Photosensitizers are essential to the mechanism of PDT, as their ability to absorb light at specific wavelengths initiates photochemical reactions with molecular oxygen, generating reactive species that target diseased cells. However, not all naturally occurring or synthetic photosensitizers are appropriate for clinical applications. Consequently, researchers are focused on creating new photoactive compounds that align closely with the attributes of an ideal photosensitizer, including selectivity, stability, and minimal side effects. Cyanine-like boronic-acid salicylidenehydrazones (Cy-BASHYs) have showcased their potential as PS. These photosensitizers demonstrate an impressive ability to generate singlet oxygen, achieving high quantum yields and exceptional phototoxicity indexes. However, their cyanine-like photobleaching, low water solubility and shorter wavelengths of absorption, restraining their full potential in PDT. In this work, we aim to develop the BASHY platform to overcome some of the cy-BASHYs limitations. With the introduction of a hydroxyquinone moiety, we aim to avoid the characteristic photodegradation of polymethine moieties. Furthermore, we also intend to optimize the platform’s push-pull properties, so that the absortion spectra is shifted to the near infrared (NIR) allowing for a less invasive triggered-light PS activation. With this we plan to enhance their photophysical properties due to their more rigid framework and push pull properties, elevating their potential for PDT