Benzotiadiazola em sistemas fluorescentes moleculares e nanométricos aplicados em bioimageamento

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2018.O presente trabalho apresenta, na primeira parte, a síntese, caracterização e aplicação no imageamento celular de um quantum dot de carbono (C-Dots) obtido da carbonização de estrume de vaca e posterior passivação com o núcleo 2,1,3-benzotiadiazola e etilenodiamina. O material nanométrico obtido apresentou excelente fotoestabilidade, comportamento de dependência de emissão em relação ao comprimento de excitação, conversão descendente e ascendente de luz, uma faixa de pH de trabalho ampla (3 a 9) e seletividade de marcação para o nucléolo celular nos experimentos de imageamento. É importante destacar que a marcação seletiva ocorreu apenas após 30 minutos de incubação, o que significa que a utilização do núcleo BTD como agente passivador das nanopartículas retardou seu processo de internalização pelo nucléolo. Na segunda parte, uma sonda lipofílica derivada do núcleo BTD foi projetada, sintetizada e aplicada como uma sonda fluorescente com seletividade para lipídeos localizados no ambiente celular. Os resultados dos experimentos de imageamento mostraram que a nova estrutura desenvolvida nesse trabalho marca as gotículas lipídicas de maneira mais seletiva e eficiente que o marcador comumente utilizado BODIPY disponível comercialmente. O corante foi testado em um modelo complexo (C. elegans), ou seja, um organismo multicelular e também apresentou seletividade na marcação das gotículas lipídicas presentes no corpo do verme, o que não é possível usando os marcadores lipídicos disponíveis comercialmente. A nova estrutura foi então aplicada em um procedimento cirúrgico para corar células de adipócitos e o novo corante foi capaz de diferenciar animais normais dos alimentados com alto teor de gordura. Em outro procedimento cirúrgico, células de hepatócitos foram usadas e elas puderam ser acompanhadas no fluxo sanguíneo do animal vivo usando a estrutura projetada em um procedimento multistaining juntamente com um marcador de núcleo comercial (Hoechst 33342). Na terceira parte, um projeto avançado de prática experimental a nível de graduação é apresentado. Neste capítulo é discutido o uso de reações multicomponentes (MCR) para o entendimento de conceitos e mecanismos da química verde. A reação de quatro componentes para obter 6-amino-3-metil-4-fenil-2,4-dihidropirano[2,3-c]pirazole-5-carbonitrile sob condições não catalisadas, básicas e ácidas é apresentada assim como sua caracterização por ponto de fusão, IFTR, 1H, 13C, HSQC e HMBC. Os alunos são convidados a comparar os resultados, analisar as vantagens e limitações do uso dessas diferentes condições e a examinar a literatura científica. A MCR permite incorporar um núcleo BTD no ao esqueleto da molécula sintetizada e aplicação futura em estudos de bioimageamento celular e observação da localização desta classe de heterocíclicos no ambiente celular.The current Thesis presents, in its first part, the synthesis, characterization and application in (live) cell imaging of quantum carbon dots (C-Dot) obtained from carbonization of cow manure and subsequent passivation with both 2,1,3-benzothiadiazole and ethylenediamine. The nanometric material presented excellent photostability, dependence behavior in relation to the wavelength of excitement, up and down conversion of light, a wide working pH range (3 to 9) and selective staining of cells` nucleoli in bioimaging experiments. It is important to note that selective marking occurred only after 30 minutes of incubation, which means that the use of BTD core as the passivating agent of the nanoparticles slowed down the process of internalizing into the nucleoli when compared to the analogous core without incorporating BTD. In the second part, a lipophilic BTD small molecule was designed, synthesized and applied as fluorescent imaging probe to selectively stain lipid droplets at the cellular level. The results showed the designed structures is by far better than the commercially available BODIPY and that more lipid-based structures could be stained selectively. The dye was then tested in a complex model (C. elegans), that is, a multicellular organism and displayed selective also at the worm level, a feature not possible using the commercial available lipid markers. The new structure was then applied in a surgery procedure to stain adipocytes cells and the new dye was capable of differentiate from standard and high fat fed animals. In another surgery procedure, hepatocyte cells were used and they could be followed in the blood flow of the live animal using the designed structure in a multistaining procedure alongside with a commercial nuclei marker (Hoechst 33342). In the third part, an advanced undergraduate program project is presented. In this chapter it is discussed the use of multicomponent reactions toward the understand of green chemistry concepts and mechanisms. The four-component reaction to obtain 6-amino-3-methyl-4-phenyl- 2,4-dihydropyrano[2,3-c]pyrazole-5-carbonitrile under non-catalyzed, basic and acid conditions is presented as well as its characterization by melting point, IFTR, 1H, 13C, HSQC and HMBC. The students are urged to compare the results, to analyze advantages and limitations of using these different conditions and to perusal the scientific literature. The MCR allows incorporate a BTD core in the scaffold to future bioimaging studies of cellular localization of this class of heterocycles