Mechanisms of generation of reactive oxygen species in photodynamic therapy

Dissertação de Mestrado em Química Medicinal apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA terapia fotodinâmica (PDT) é uma estratégia terapêutica pouco invasiva que assenta na administração de um fotossensibilizador (PS) e posterior irradiação do tecido alvo. A interação do PS fotoestimulado com o oxigénio molecular, presente no tecido alvo, origina espécies reativas de oxigénio (ROS) que induzem uma cascata de reações que culmina com a morte celular. As propriedades fotofísicas e fotoquímicas do fotossensibilizador têm um papel importante na eficiência da terapia. A modulação destas propriedades através da alteração estrutural do PS permite o desenho de uma vasta gama de fotossensibilizadores com potencial aplicação clínica. Porfirinas e os seus derivados, clorinas e bacterioclorinas, são frequentemente utilizados como fotossensibilizadores na terapia fotodinâmica. Nesta dissertação foram estudadas as propriedades fotofísicas e fotoquímicas de duas porfirinas (P10 e P11) e das bacterioclorinas correspondentes (LUZ10 e LUZ11). Para tal, recorreu-se a técnicas espectroscópicas como a fotólise por relâmpago e a adaptação desta técnica para a determinação do rendimento quântico de oxigénio singuleto. A complementação destas técnicas com calorimetria fotoacústica permitiu uma melhor compreensão das reações ocorrentes no sistema após fotoestimulação. Em suma, as porfirinas estudadas apresentam, relativamente às bacterioclorinas, maior rendimento quântico de oxigénio singuleto e maior tempo de vida do estado tripleto. O relaxamento do estado tripleto das porfirinas é quase exclusivamente realizado pela transferência de energia para o oxigénio molecular, sendo pouco provável a ocorrência de mecanismos de transferência de carga. Nas bacterioclorinas, o relativamente curto tempo de vida do estado tripleto e baixo rendimento quântico de oxigénio singuleto sugerem a existência de mecanismos de transferência de carga significativos.Photodynamic therapy (PDT) is a non-invasive therapeutic strategy based on the administration of a photosensitizer (PS) followed by the irradiation of the target tissue. The interaction between the photostimulated PS and molecular oxygen, present in the tissue, generates reactive oxygen species (ROS) that induce a cascade of reactions that end in cellular death. The photophysical and photochemical properties of the photosensitizer play an important role in the efficiency of the therapy. The modulation of these properties through structural modification of the PS allows the design of numerous PS with potential clinical application. Porphyrins and its derivatives, chlorins and bacteriochlorins, are widely used as photosensitizers in photodynamic therapy. In this dissertation the photophysical and photochemical properties of two porphyrins (P10 and P11) and their bacteriochlorin derivatives (LUZ10 and LUZ11) were studied. These properties were studied using spectroscopic techniques such as flash photolysis and its adaptation to determine singlet oxygen quantum yield. These techniques were complemented with photoacoustic calorimetry that allowed a better understanding of the occurring reactions after photostimulation. In conclusion, the studied porphyrins present a higher singlet oxygen quantum yield and longer triplet state lifetime, relative to the bacteriochlorins. The quenching of porphyrins’ triplet state is almost exclusively done by energy transfer to molecular oxygen, as the charge transfer mechanisms are unlikely to happen. Bacteriochlorins, on the other hand, present shorter triplet state lifetime and lower singlet oxygen quantum yield, which suggests charge transfer mechanisms are significant in the quenching process.FC