Development of photoswitchable compounds for the modulation of neuronal activity

Abstract

[eng] One of the major challenges in nanotechnology and pharmacology is ensuring that drugs act precisely where and when they are needed, maximizing therapeutic effects while reducing side effects. In addition to traditional targeting methods, photopharmacology offers a unique approach to achieving localized drug action. This technique enables the direct, rapid, and reversible control of endogenous protein activity using light, without the need for genetic manipulation or photosensitive proteins. Remarkably, photopharmacology has become a powerful tool for studying neuromodulation within neuronal circuits and investigating the role of specific neuronal receptors in intact tissues and their involvement in neurotransmission. The purpose of this project is developing new photopharmacological compounds that modulate neuronal excitability upon illumination in a reversible and light-dependent manner, aiming at voltage-gated sodium channel pharmacology in the context of different tissues and in vivo. To achieve this aim, different objectives have been set in this thesis.

[cat] Aquest treball investiga la modulació fotofarmacològica de l'excitabilitat neuronal mitjançant el desenvolupament de derivats fotocommutables de lligands de canals de sodi dependents de voltatge (VGSC), inclosos bloquejadors, moduladors i obridors, respectivament utilitzant carbamazepina, rufinamida i veratridina com a compostos de partida. Els VGSC són crucials per l'excitabilitat dels teixits, però han rebut menys atenció en fotofarmacologia que altres canals iònics malgrat el seu paper en malalties com l'epilèpsia, les arítmies cardíaques, el dolor crònic i les malalties musculars, en les quals l'acció farmacològica focalitzada i sota demanda permetria reduir els efectes adversos. Per aconseguir aquest objectiu, hem utilitzat diverses estratègies de disseny basades en l'anàlisi de la relació estructura-activitat (structure-activity relationship, SAR). Vam obtenir els anàlegs de carbamazepina mitjançant el mètode de criptoazologització, donant lloc a les Carbazopines 1-7 i a la Carbadiazocina. Vam dissenyar els anàlegs de rufinamida mitjançant azologització, donant lloc als Rufinazols 1-3, mentre que vam fer la veratridina fotocommutable (Azo-VTD) mitjançant l'extensió amb azobenè i la modificació en fase tardana de la toxina. Els estudis fotoquímics van demostrar que les Carbazopines 1-7, Rufinazols 1-3 i Azo-VTD requereixen llum ultraviolada (UV) per isomeritzar, mentre que la Carbadiazocina es pot manipular amb llum visible (400-590 nm) in vivo, que és una característica clau per a aplicacions terapèutiques. L'estabilitat tèrmica dels isòmers foto-excitats és diferent a cada compost, i destaquen els Rufinazols 1-3 i l'Azo-VTD amb una estabilitat tèrmica excepcional. La Carbadiazocina i el Rufinazol-1 i 2 permeten fotoisomerització quantitativa, que té avantatges per aplicacions biològiques. Hem avaluat la modulació amb llum de l'activitat neuronal amb els derivats sintetitzats mitjançant assajos electrofisiològics en cultius de neurones d'hipocamp. Idealment, els compostos fotocommutables haurien de romandre inactius en la seva forma tèrmicament estable (trans-off) i esdevenir actius després de la il·luminació (cis-on). Tanmateix, alguns compostos, com la Carbazopina-1 i el Rufinazol-1 i 2, són neuroinhibidors però mostren activitat en la foscor (trans-on). Per obtenir anàlegs de carbamazepina inactius en la foscor, vam emprar amb el mecanisme de commutació invertit de la diazocina. D'altra banda, l'Azo-VTD va mostrar activitat cis-on sota il·luminació tant en teixits neuronals com cardíacs, tal com es pretenia. De la mateixa manera, Rufinazol-3 permet controlar la locomoció amb la isoforma cis en experiments de comportament de larves de peix zebra, d'acord amb les prediccions dels càlculs molecular de l'acoblament entre el lligand i la seva proteïna diana. Hem explorat les aplicacions in vivo d'aquestes molècules petites per fer proves de concepte. La carbadiazocina és activa i fotocommutable tant en assajos de comportament de larves de peix zebra com en un model de dolor neuropàtic en rata, demostrant que pot produir analgèsia localitzada a demanda. També hem avaluat les respostes optomotores de larves de peix zebra produïdes per aquest compost, per esbrinar si afecten principalment el processament sensorial o la funció motora. El Rufinazol-3 mostra activitat cis-on en larves de peix zebra silvestres, i això suggereix avaluar-lo en el futur per al control localitzat de les convulsions mitjançant la llum en models d'epilèpsia induïda genèticament i químicament. En conclusió, en aquest treball hem aconseguit avenços substancials en la fotofarmacologia dels VGSC, amb els objectius de superar les limitacions dels fàrmacs antiepilèptics (AED) actuals com la carbamazepina i la rufinamida, i d'introdur la primera toxina fotocommutable reversiblement, l'Azo-VTD. La Carbadiazocina s'alça com un candidat prometedor per tractar el dolor neuropàtic amb llum, mentre que els rufinazols tenen potencial per desenvolupar una teràpia precisa i focalitzada contra l'epilèpsia. L'Azo-VTD és el primer fotoactivador de VGSCs reversible i ofereix una nova eina de neuromodulació. En conjunt, aquests innovadors fàrmacs fotocommutables de VGSCs permeten noves aplicacions terapèutiques de la neuromodulació amb control espaciotemporal.