Novel approaches to singlet oxygen photosensitization in the nano- and bio-era

Abstract

En aquesta tesis es detallen noves aproximacions nano- i biomoleculars amb l’objectiu de millorar la fotosensibilització i detecció d’oxigen singlet en medi biològic. En primer lloc es presenta una nova reacció fluoro- i cromogènica pel marcatge de proteïnes i nanopartícules amb derivats de porficè. Concretament, la reacció de porficens isotiocianat amb amines primàries i secundaries generen 2-aminotiazolo[4,5-c]poricè derivats amb un desplaçament concomitant en els seus espectres d’absorció i emissió per més de 70 nm cap al vermell. Aquesta reacció inesperada ha estat racionalitzada en base a la ciclació espontània del derivat 9-tiourea porficè generat en la reacció per donar lloc a un tiazoloporficè fusionat. L’abast de tal reacció s’ha expandit a altres derivats de porficè com els 9-amidoporficens. Finalment, s’ha utilitzat porficens isotiocianat pel marcatge de biomolècules i nanopartícules, lliurant conjugats teranòstics al infraroig proper. En segon lloc s’ha estudiat l’efecte de la morfologia de les nanopartícules se sílice sobre la capacitat de producció i desactivació d’oxigen singlet per part de la protoporfirina IX. L’agregació del fotosensibilitzador en la superfície de la nanopartícula limita la producció d’oxigen singlet. Per altra banda, a mesura que augmenta la porositat del nanomaterial es possible detectar diferents poblacions d’oxigen singlet; una d’elles és capaç d’escapar de la superfície de les nanopartícules i de decaure en el dissolvent mentre que l’altra es manté atrapada dins dels porus de sílice. Els resultats revelen que controlar el grau d’agregació del fotosensibilitzador i la seva localització en la matriu de sílice són factors crítics a tenir en compte en la preparació de materials nanoporosos per a l’alliberació d’oxigen singlet. Finalment s’han dissenyat i estudiat fotosensibilizadors plasmònics capaços d’augmentar la producció i el decaïment radiant del oxigen singlet. Mitjançant tècniques de espectroscòpia estacionària i resoltes en el temps es demostra que el nucli de plata exerceix un efecte dual a través d’una absorció incrementada de llum i un augment en el decaïment radiant d’oxigen singlet, fet que es tradueix en un augment de la seva fosforescència. A més a més es demostra que l’augment en la producció i en el decaïment radiant d’oxigen singlet depèn enormement de la proximitat entre fotosensibilitzador i nanopartícula plasmònica. D’aquesta manera s’han identificat 3 règims diferents a mesura que el fotosensibilitzador s’allunya de la nanoestructura plasmónica, essent la zona de major augment aquella compresa en distancies entre 10 i 20 nm del nucli metàl·lic. Addicionalment s’han utilitzat les nanopartícules per el tractament fotodinàmic de bactèries Gram-positives i Gram-negatives, observant un augment tant de la seva activitat antimicrobiana com en el límit de detecció d’oxigen singlet.

En esta tesis se detallan nuevas aproximaciones nano- y biomoleculares para mejorar la fotosensibilización y detección del oxígeno singlete en medio biológico. En primer lugar se presenta una nueva reacción fluoro- y cromogénica para el etiquetado de proteínas y nanopartículas con derivados de porficeno. Concretamente, la reacción de porficenos isotiocianato con aminas primarias y secundarias genera 2-aminotiazolo[4,5-c]porficeno derivados con un desplazamiento concomitante en sus espectros de absorción y emisión por más de 70 nm. Esta reacción inesperada ha sido racionalizada en base a la ciclación espontánea del derivado 9-tiourea porficeno generado tras la reacción para dar lugar a un tiazoloporficeno fusionado. El alcance de dicha reacción ha sido expandido a otros derivados de porficeno como los 9-amidoporficenos. Finalmente, los porficenos isotiocianato han sido usados para el marcaje de biomoléculas y nanopartículas, dando nanoconjugados teranósticos en el infrarrojo cercano. En segundo lugar, se ha sido estudiado el efecto de la morfología de las nanopartículas de sílice sobre la capacidad de producción y desactivación de oxígeno singlete por protoporfirina IX. La agregación del fotosensibilizador en la superficie de la nanopartícula limita la producción de oxígeno singlete. Por otro lado, a medida que aumenta la porosidad del nanomaterial es posible detectar distintas poblaciones de oxígeno singlete; una de ellas capaz de escapar de la superficie de las nanopartículas y decaer en el disolvente mientras que la otra se mantiene atrapada dentro de los poros de sílice. Los resultados revelan que controlar el grado de agregación del fotosensibilizador y su localización en la red de sílice son factores críticos a tener en cuenta en la preparación de materiales nanoporosos para liberación de oxígeno singlete. Finalmente se han diseñado y estudiado fotosensibilizadores plasmónicos capaces de aumentar la producción y el decaimiento radiante del oxígeno singlete. Mediante técnicas de espectroscopia estacionaria y resuelta en el tiempo se demuestra que el núcleo de plata ejerce un efecto dual mediante la absorción incrementada de luz y el aumento del decaimiento radiante del oxígeno singlete, lo que se traduce en un mayor aumento de su fosforescencia. Además se demuestra que el aumento en la producción y en decaimiento radiante del oxígeno singlete depende enormemente de la proximidad del fotosensibilizador a la nanopartícula plasmónica. Así, se han identificado 3 regímenes distintos a medida que el fotosensibilizador se aleja de la nanoestructura plasmónica, situándose el máximo factor de aumento a distancias entre 10 y 20 nm del núcleo metálico. Adicionalmente, las nanopartículas plasmónicas se han usado en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, observando un aumento tanto de su actividad antimicrobiana como en el límite de detección de oxígeno singlete.

Different new molecular, bio- and nano-engineered approaches to enhance the photosensitization and detection of singlet oxygen in biological media are reported in this thesis. First, a novel fluoro-chromogenic click reaction for the labeling of proteins and nanoparticles with porphycene derivatives is presented. Reaction of porphycene isothiocyanate with primary and secondary amines yields 2-aminothiazolo[4,5-c]porphycene derivatives with a concomitant red-shift of their absorption and fluorescence emission spectra by more than 70 nm. This unexpected reaction has been explained on the grounds of a spontaneous cyclization of the initially-formed 9-thiourea porphycene derivative onto a fused thiazoloporphycene and its scope has been expanded to other porphycene derivatives such as 9-amidoporphycenes. Furthermore, porphycene isothiocyanates have been used to label biomolecules and nanoparticles yielding near-infrared theranostic nanoconjugates. Secondly, the role of the morphology of silica nanoparticles onto the production and deactivation of singlet oxygen by protoporphyrin IX has been investigated. Aggregation of the photosensitizer onto the surface of the nanoparticle limits the production of singlet oxygen. In addition, as the porosity of the nanomaterial increases, different populations of singlet oxygen can be detected; one population is able to escape from the nanoparticle surface and decay in the bulk solvent while the other is trapped inside the silica pores. Results reveal that controlling the aggregation state of the photosensitizer and its location is of crucial importance when preparing nanoporous materials for singlet oxygen delivery. Finally, plasmonic photosensitizers capable of boosting the production and radiative decay of single oxygen have been designed and studied. Via time-resolved and steady state spectroscopic techniques, we demonstrate the silver core exerts a dual role of enhancing both the production of singlet oxygen, through enhanced absorption of light, and its radiative decay, which in turn boosts singlet oxygen phosphorescence emission to a greater extent. Furthermore, we show both the enhancement of the production and the emission of singlet oxygen to be dependent on proximity to the plasmonic nanostructure. Three distinct regimes have been identified as the photosensitizer moves apart the plasmonic nanostructure, with greater enhancement at distances between 10 and 20 nm. Moreover, hybrid plasmonic nanoparticles can be delivered to both Gram-positive and Gram-negative bacteria boosting both photoantibacterial activity and detection limit of singlet oxygen in cells.