Artificial and natural photosensitizers in Photodynamic Therapy: Expanded porphycene conjugates and hypericin

Abstract

Aquesta tesi presenta l’estudi d’aplicacions antimicrobianes i antineoplàstiques de conjugats 2-aminotiazoloporificè i d’hipericina en teràpia fotodinàmica (TFD), tot intentant entendre el mecanisme d’acció. La conjugació de 9-isotiocianat-2,7,12,17-metoxietilporficè a dues entitats hidrofíliques, l’antibiòtic gentamicina i el catió lipofílic trifenilfosfoni, formen compostos amfifílics amb gran activitat biològica contra microorganismes i cèl·lules HeLa. La conjugació presenta un sistema aromàtic dual, amb gran absorció al vermell i amb alts rendiments d’oxigen singlet. La seva fluorescència, tot i ser tènue, ha estat utilitzada en aplicacions com la microscòpia confocal i fins i tot en microscòpia de super-resolució d’emissió estimulada (STED). El conjugat amb Gentamicina és capaç d’inactivar S. aureus, E. coli i C. albicans en el rang submicromolar, però sense la selectivitat buscada doncs també inactiva cèl·lules canceroses. El conjugat amb el catió Trifenilfosfoni presenta una menor activitat en microorganismes que el conjugat anterior, però més elevat en càncer degut a una localització subcel·lular parcialment dirigida cap a mitocondris. La Hipericina, per altra banda, és un conegut i potent fotosensibilitzador natural que és costós d’obtenir tant purificant un extracte de planta com la seva síntesi química. En aquest sentit, s’ha comparat un extracte hidroalcòholic liofilitzat de H. perforatum sense purificar amb hipericina pura, observant com les seves propietats fotofísiques no es veuen mitigades per altres productes en l’extracte i com la seva activitat contra S. aureus és preservada. Seguint amb la Hipericina, àcid retinoic ha estat incorporat al complex β-lactoglobulina-hipericina prèviament descrit per avaluar el seu potencial en assajos antimicrobians in vitro. Tot i ser un mitigador d’oxigen singlet, aquesta adició no afecta al rendiment de la Hipericina contra S. aureus, demostrant així el potencial del complex per alliberar dos fàrmacs simultàniament en tractar acne vulgaris: la hipericina per tractar infeccions i l’àcid retinoic per calmar la inflamació.

Esta tesis presenta el estudio de aplicaciones antimicrobianas y antineoplásticas de conjugados 2-aminotiazoloporficenos e Hipericina en terapia fotodinámica, procurando entender su mecanismo de acción. La conjugación de 9-isotiocianato-2,7,12,17-metoxietilporficeno con dos entidades hidrofílicas, el antibiótico gentamicina y el catión lipofílico trifenilfosfonio, forma compuestos anfifílicos con gran actividad biológica contra microorganismos y células HeLa. Los conjugados presentan un sistema aromático dual, gran absorción en el rojo y altos rendimientos de oxígeno singlete. Su fluorescencia, pese a ser débil, ha sido usada en aplicaciones como la microscopía confocal e incluso en microscopía de super-resolución de emisión estimulada (STED). El conjugado de Gentamicina es capaz de inactivar S. aureus, E. coli y C. albicans en el rango submicromolar, pero sin la selectividad buscada ya que también inactiva células cancerígenas. El conjugado de trifenilfosfonio presenta menos actividad que el conjugado anterior en microorganismos, pero mayor en cáncer debido a una sublocalización celular parcialmente dirigida hacia mitocondrias. La Hipericina, por otro lado, es un conocido y potente fotosensibilizador natural que es costoso de obtener ya sea purificando extractos naturales de plantes o mediante síntesis. En este aspecto, se ha comparado un extracto hidroalcohólico liofilizado sin purificar de H. perforatum con Hipericina pura, observando como las propiedades fotofísicas no se ven mitigadas debido a la presencia de otros compuestos en el extracto y preservando su actividad contra S. aureus. Siguiendo con Hipericina, ácido retinoico ha sido añadido al complejo β-lactoglobulina-hipericina previamente descrito para probar su potencial actividad antimicrobiana in vitro. Pese a ser un mitigador de oxígeno singlete, la adición de ácido retinoico no afecta al rendimiento de la Hipericina contra S. aureus, demostrando el potencial del complejo para liberar dos fármacos simultáneamente para tractar acne vulgaris: la hipericina para tratar la infección y el ácido retinoico para calmar la inflamación.

This thesis reports the study of antimicrobial and antineoplastic applications of novel 2-aminothiazolo porphycene conjugates and Hypericin in Photodynamic therapy (PDT), while aiming to understand their mechanism of action. The conjugation of 9-isothiocyanate-2,7,12,17-methoxyethylporphycene to two hydrophilic entities, gentamicin as an antibiotic and triphenylphosphonium as a lipophilic cation, rendered amphiphilic compounds with high biological activity against microorganisms and HeLa cells. The conjugates presented dual aromatic systems, highly absorbing in the deep red with high singlet oxygen yields. Their fluorescence, despite being dim, was still exploited in applications such as confocal microscopy and even stimulated emission depletion super-resolution microscopy (STED). The Gentamicin conjugate was able to inactivate S. aureus, E. coli and C. albicans in the submicromolar range, but lacking the intended selectivity since it also inactivates cancer cells. The conjugate endowed with the Triphenylphosphonium cation presented less activity against microorganisms than the previous conjugate, but higher for cancer PDT due to the partial subcellular localization guidance towards mitochondria. Hypericin, on the other hand, is a powerful and well-known naturally occurring photosensitizer which is costly to both purify from a plant extract or chemically synthesized. In this regard, a non-purified lyophilized hydroalcoholic H. perforatum extract was compared with pure hypericin, observing how its photophysical properties are not quenched by other compounds in the extract and that its antimicrobial activity against S. aureus was preserved. Continuing with Hypericin, retinoic acid was incorporated into the previously reported β-lactoglobulin-Hypericin complex in order to test its antimicrobial in vitro potential. Despite being a singlet oxygen quencher, this addition did not affect the Hypericin’s performance against S. aureus, proving its potential as a double payload vehicle when treating acne vulgaris: Hypericin to treat infections and the retinoid to calm inflammation.

Questa tesi riguarda lo studio di applicazioni antimicrobiche e antineoplastiche di nuovi coniugati di 2-aminotiazoloporficeno e dell’Ipericina nella terapia fotodinamica (TFD), con l'obiettivo di comprendere il loro meccanismo d'azione. La coniugazione del 9-isotiocianato-2,7,12,17-metossietilporficeno in due entitá idrofiliche, con gentamicina come antibiotico e trifenilfosfonio come catione lipofilo, ha reso composti anfifilici con elevata attività biologica contro i microrganismi e le cellule HeLa. I coniugati presentavano sistemi aromatici doppi, altamente assorbenti nel rosso lontano con una alta resa di ossigeno singoletto. La loro fluorescenza, nonostante fosse debole, è stata tuttavia utilizzata in applicazioni come la Microscopia Confocale e persino nella Microscopia di svuotamento dell'emissione stimolata (STED). Il coniugato di gentamicina è stato in grado di inattivare S. aureus, E. coli e C. albicans nell’intervallo di concentrazioni del submicromolare, ma si è rivelato carente nella selettività voluta poiché inattiva anche le cellule tumorali. Il coniugato fornito del catione trifenilfosfonio presentava minor attività contro i microrganismi rispetto al coniugato precedente, ma un’attivitá maggiore contro il cancro a causa del parziale indirizzamento con localizzazione subcellulare nei i mitocondri. L'ipericina, d'altra parte, è un ben noto fotosensibilizzatore naturale e potente, costoso sia se ottenuto per purificazione da un estratto di piante, sia se sintetizzato chimicamente. A questo proposito, un estratto liofilizzato idroalcolico di H. perforatum non purificato è stato confrontato con l'ipericina pura, osservando come le sue proprietà fotofisiche non siano soppresse da altri composti nell'estratto e come sia preservata la sua attività antimicrobica contro S. aureus. Continuando con l'ipericina, l'acido retinoico è stato incorporato nel complesso β-lattoglobulina-ipericina precedentemente riportato per esaminare il suo potenziale antimicrobico in vitro. Nonostante sia un soppressore di ossigeno singoletto, questa aggiunta non ha avuto impatto sull’efficacia dell'ipericina contro S. aureus, dimostrando il suo potenziale come doppio agente nella cura dell'acne vulgaris: l'ipericina per le infezioni e l’acido retinoico per calmare l'infiammazione.