New photopharmacological tools for the light-induced control of neuronal signalling

Abstract

L’objectiu principal de la neurociència és l’estudi i el control dels sistemes neuronals. Actualment, aquesta àrea està sent revolucionada per l’ús de petites molècules fotoactives, un camp conegut com fotofarmacologia. Mitjançant l’activació remota de fàrmacs amb llum, la fotofarmacologia tracta d’afrontar alguns dels principals reptes de la farmacologia convencional, com la pobra selectivitat dels fàrmacs i els efectes secundaris.1 Tres estratègies principals s’han derivat en aquest camp: els photocaged ligands (CL), profàrmacs que difonen lliurement, l’efecte des quals s’activa mitjançant l’eliminació dels grups protectors fotolàbils amb il·luminació; els photochromic ligands (PCL), que permeten la modulació reversible de la resposta de molècules bioactives a través de la fotoisomerització de grups annexats a aquestes que responen a la llum; i photoswitched tethered ligands (PTL), un cas especial de PCLs que s'uneixen covalentment al receptor d’interès. Tot i que aquestes aproximacions han demostrat tenir èxit per a una gran varietat d’objectius terapèutics, tant in vitro com in vivo, encara resten diversos reptes en el camp de la fotofarmacologia. Per tant, en aquest treball hem abordat la investigació de noves estratègies fotofarmacològiques que superin algunes de les debilitats de les eines desenvolupades fins ara. Ens hem centrat especialment en el fotocontrol dels receptors ionotròpics de glutamat (iGluRs), els quals tenen un paper clau en la modulació de l’excitabilitat neuronal. Les noves eines fotofarmacològiques desenvolupades al llarg d’aquesta tesi consisteixen en: (i) un PTL basat en fotointerruptors basats en azobenzè substituïts de forma push-pull que responen a l'excitació amb dos fotons amb llum NIR. (ii) un lligand engabiat no destructiu que permeti la conversió irreversible i quantitativa de l'estat inactiu a l'estat actiu, actuant d'una manera similar als CLs, però sense generació de subproductes. (iii) un PCL basat en azobenzens amb un pont C2 que presenta una forma inactiva termodinàmicament estable que es converteix selectivament en l’estat biològicament actiu al ser irradiat. Aquesta tesi presenta la síntesi, la caracterització fotoquímica i l’avaluació de l’activitat biològica d’aquestes tres noves eines fotofarmacològiques.

The main objective of neuroscience is the study and control of neuronal systems. Nowadays, this area is being revolutionised by the use of photoresponsive small molecules, a field known as photopharmacology. By enabling remote activation of drugs with light, photopharmacology seeks to tackle some of the main challenges faced by conventional pharmacology, such as poor drug selectivity and side effects.1 Three main strategies have been derived in this area: photocaged ligands (CL), freely diffusing prodrugs the effect of which is triggered by removing photolabile protecting groups upon illumination; photochromic ligands (PCL), which allow reversible modulation of the response of bioactive molecules through photoisomerisation of appended light-responsive moieties; and photoswitched tethered ligands (PTL), a special case of PCLs that are covalently attached to the therapeutic receptor. Although these approaches have proven to be successful for a variety of therapeutic targets in vitro and in vivo, several challenges still remain in the field of photopharmacology. Therefore, in this work we have aimed at the investigation of new photopharmacological strategies that overcome some of the weaknesses of the tools developed so far. We have particularly focused on the photocontrol of ionotropic glutamate receptors (iGluRs), which play a key role in the modulation of neuronal excitability. The novel photopharmacological tools developed along this thesis consist in: (i) a PTL based on push-pull-substituted azobenzene photoswitches that responds to two-photon excitation with NIR light. (ii) a non-destructive caged ligand that enable irreversible and quantitative conversion from the inactive to the active state, thus performing in a similar fashion as CLs but without by-product generation. (iii) a PCL based on C2-bridged azobenzenes which displays a thermodynamically stable inactive form that selectively turns into the biologically-active state when irradiated. This thesis reports the synthesis, photochemical characterisation and biological activity evaluation of these three novel photopharmacological approaches.