New azobenzene-based photoswitches for two-photon optical control of neuronal receptors

Abstract

Aquest projecte persegueix el desenvolupament d’una sèrie de nous interruptors moleculars per a controlar el funcionament d’un canal iònic present en les cèl·lules del sistema nerviós central. Fins a l’actualitat els interruptors desenvolupats d’aquest tipus es basen en sistemes azobenzènics, fet que fa que presentin una limitació fonamental: la radiació UV-vis necessària per a interconvertir els dos estats del sistema és poc penetrant en teixits biològics i pot, fins i tot, provocar processos de fotodegradació d’aquests teixits. Aquest inconvenient es podria solucionar utilitzant llum del infraroig proper (NIR) per a dur a terme la fotoisomerització del interruptor mitjançant absorció multifotònica (a dos fotons). Per tal d’assolir aquest objectiu, es van plantejar dues estratègies: (i) la photoisomerització sensibilitzada a dos fotons del nucli azobenzènic; i (ii) la directa photoisomerització a dos fotons del nucli azobenzènic. La primera aproximació es podria aconseguir afegint una quarta unitat activa a l’estructura de l’interruptor original descrit per Gorostiza et al. Aquest nou fragment actuaria com a sensibilitzador, absorbint llum NIR mitjançant un procés multifotònic i transferint la corresponent energia d’excitació electrònica mitjançant un mecanisme de transferència d’energia ressonant (RET) a la unitat d’azobenzè. Per contra, la segona estratègia requeriria la introducció d’asimetria electrònica entre els dos anells, per tal de millorar la capacitat del sistema d’absorbir a dos fotons. Per validar aquestes dues aproximacions, dues families d’interruptors moleculars es van preparar i el seu comportament fotoquímic va ser evaluat tant en solució com en teixits biològics.

The development of optical methods for remote and non-invasive control of biological functions has recently emerged as a promising area of research. To attain this goal, it has been proposed the design of molecular photoswitches capable of regulating cellular activity upon reversible light-induced interconversion between their two states. Gorostiza et al. have demonstrated that photoinduced trans-cis isomerisation of azobenzene derivatives using UV-vis light allows the ion channels in neurons to be gated on demand. In spite of their successful performance, operation of these systems under irradiation with NIR light would be highly desired, since it has more penetration depth in biological tissues as well as causes less biological damage than UV-vis light. In view of this situation, this project pursues the development of a new series of photoswitches allowing light-induced control with IR light of the neuronal ion channels regulated by ionotropic glutamate receptors (iGluR). With this aim, two different strategies have been explored: (i) two-photon sensitised photoisomerisation of their azobenzene switch; and (ii) direct two-photon photoisomerisation of their azobenzene switch. On the former, an additional unit has been incorporated to the original photoswitch structure reported by Gorostiza et al. This new fragment should act as a sensitiser, absorbing NIR light via a non-linear optical process and then transferring its electronic excitation energy to the azobenzene group, which should eventually undergo photoisomerisation. On the other hand, the second strategy requires push-pull substitution of the azoaromatic group to enhance the intrinsic two-photon absorption cross-section of the system. To validate these approaches, two types of molecular photoswitches have been prepared and their photochemical activities have been tested both in solution and in biological tissues.