BODIPY and aza-BODIPY as fluorophores and photosensitizers for biomedical applications

W ostatnim czasie zaobserwowano gwałtowny wzrost zainteresowania barwnikami organicznymi z grupy 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenó w (BODIPY), a także ich strukturalnymi analogami – aza-BODIPY. Badania nad pochodnymi BODIPY skupiają się głównie na poszukiwaniu układów chromoforowych, opartych na ich strukturze biologicznych sond fluorescencyjnych, a także chemosensorów o możliwe najlepszych właściwościach fotochemicznych i fotofizycznych, umożliwiających ich wykorzystanie w wielu dziedzinach fotobiologii i fotomedycyny. Aza-BODIPY z uwagi na możliwość absorpcji światła z zakresu długofalowego obszaru widzialnego widma tzw. okna terapeutycznego, testowane są głównie jako potencjalne fotosensybilizatory w terapii fotodynamicznej. Badania opisane w niniejszej pracy wpisują się w trend poszukiwań funkcjonalnych połączeń wykazujących fluorescencję dla potrzeb farmacji, medycyny, a także biologii i genetyki molekularnej. Jako cel badań postawiono opracowanie optymalnej ścieżki syntezy szeregu biokoniugatów BODIPY i aza-BODIPY z pochodnymi biotyny oraz aldehydem orotowym, nieopisanych dotychczas w literaturze chemicznej. Założono, że docelowe struktury zawierające podjednostkę biotyny będą selektywnie celować w receptory biotyny, które ulegają nadekspresji na powierzchni komórek nowotworowych. Natomiast koniugacja fluoroforu z aldehydem orotowym pozwoli na specyficzne wiązanie się znacznika fluorescencyjnego do nici RNA, poprzez tworzenie wiązań wodorowych z komplementarną dla uracylu adeniną.Badania wykonane w ramach przedstawionej pracy pozwoliły przede wszystkim na wstępną ocenę możliwości syntezy biokoniugatów fluoroforu BODIPY podstawionego grupami metylowymi w pozycjach 1,3,5 i 7 oraz mezo z pochodnymi biotyny, wykorzystując do tego celu reakcję sprzęgania Sonogashiry lub chemię ‘’click’ i reakcję cykloaddycji CuAAC. W toku badań okazało się, że pochodne zaprojektowanego chromoforu są niereaktywne w reakcjach sprzęgania katalizowanych kompleksami palladu oraz substytucji nukleofilowej, a otrzymanie docelowych biokoniugatów zgodnie z zaplanowaną początkowo strategią syntezy jest sporym wyzwaniem. Zaproponowano wyjaśnienie braku reaktywności wspomnianych pochodnych, oparte na efektach mezomerycznych zachodzących w cząsteczce BODIPY oraz efekcie indukcyjnym podstawników metylowych, wpływających na rozkład gęstości elektronowej w obrębie cząsteczki badanego fluoroforu.Recently, there has been a noticeable increase of interest in the 4,4-difluoro-4-bora-3a, 4a-diaza-s-indacene (BODIPY) family of organic dyes, as well as their structural analogues – aza-BODIPY. Research on BODIPY derivatives is focused mainly on the search for chromophore systems, based on their structure biological fluorescent probes and chemosensors with the best possible photochemical and photophysical properties, enabling their use in many fields of photobiology and photomedicine. Aza-BODIPY due to the possibility of absorption of light in the long-wave range of the visible spectrum (absorption in therapeutic window) are mainly investigated as potential photosensitizers in photodynamic therapy. The research described in this thesis is in line with the trend of searching for functional chromophores exhibiting fluorescence for their utilization in pharmacy, medicine, biology and molecular genetics.The aim of this research was to develop an optimal synthesis path for a series of BODIPY and aza-BODIPY bioconjugates with biotin derivatives and orotic aldehyde, which have not been described in the chemical literature yet. It was assumed that bioconjugates containing biotin molecules would selectively target biotin receptors that are overexpressed on the surface of tumor cells. While the conjugation of the fluorophore with orotic aldehyde would allow the specific binding of the fluorescent marker to the RNA strand, through the formation of hydrogen bonds with adenine, which is complementary to uracil.The research allowed mainly to pre-evaluate the possibilities of synthesizing bioconjugates of the BODIPY fluorophore substituted with methyl groups in positions 1, 3, 5, 7 and meso with biotin derivatives, via the Sonogashira coupling reaction or by the click chemistry in the CuAAC cycloaddition. It turned out that the derivatives of the designed chromophore system are non-reactive in the coupling reactions catalyzed with palladium complexes and nucleophilic substitution, and it is impossible to obtain chosen bioconjugates according to an initially planned synthesis strategy. It was proposed to explain the lack of reactivity of the synthesized fluorophore derivatives, based on the mesomeric effects occurring in the BODIPY structure and the induction effect of methyl substituents, affecting the electron density distribution in fluorophore molecule