Porphyrins derivatives as photosensitizers for photodynamic therapy

Nesta tese serão discutidos alguns aspectos químicos, fotoquímicos e fotofísicos importantes no desenvolvimento de fotossensibilizadores para aplicação em terapia fotodinâmica (TFD). Os estudos abrangeram a investigação de 29 espécies, sendo que 20 delas continham um anel porfirínico convencional e 9 eram porfirinas duplamente N-confusas. As primeiras foram sintetizadas para apresentarem diferentes números e tipos de substituintes catiônicos coordenados à posição meso do anel porfirínico, mais especificamente as meso(N-4-piridil)fenilporfirinas e as meso(N-3-piridil)fenilporfirinas contendo um, dois (em trans), dois (em cis), três e quatro grupos [Ru(bipy)2Cl]+ ou CH3+ (figura 1). Em contraste com as porfirinas convencionais. as outras 9 estruturas consistiram das formas protonadas, neutras e desprotonadas de porfirinas que exibem dois anéis pirrólicos adjacentes voltados para fora do anel porfirínico, mais especificamente a base livre (H2N2CP) e os respectivos complexos de prata (AgHN2CP) e de cobre (CuHN2CP). Esta peculiaridade estrutural permite coordenar metais de transição por meio de dois átomos de carbono e dois de nitrogênio, estabilizando fortemente íons metálicos em estados de oxidação anormalmente elevados como Ag3+ e Cu3+. Os dois nitrogênios pirrólicos externos ao anel são susceptíveis tanto a protonação quanto a desprotonação, possibilitando a modulação das propriedades eletrônicas desses compostos por simples alteração no pH do meio. De um modo geral, a acidificação das amostras perturbou mais significativamente suas propriedades fotoquímicas que a desprotonação. Em especial, as espécies neutras metaladas apresentaram bandas bastante intensas na região fototerapêutica de 600 a 750 nm, além de um elevado rendimento quântico de formação de oxigênio singlete (ΦΔ > 0,90 para o complexo Ag(III)). Todavia, um processo de fotodecomposição atribuído ao ataque do 1O2 formado, também foi observado. Ambos os processos, ΦΔ e fotodecomposição, parecem ser modulados pelo metal coordenado no centro do anel. Tanto a coordenação de Ag(lII) como Cu(lII) aumentou o ΦΔ, provavelmente devido ao efeito do metal pesado sobre o cruzamento interssistema. Todavia, verificou-se que o derivado AgHN2CP é muito menos reativo que o CuHN2CP e a base livre. Os motivos deste comportamento ainda não são completamente compreendidos, mas é evidente que o complexo de Ag(lII) apresenta melhores propriedades fotodinâmicas que as demais. Em comparação com as porfirinas duplamente N-confusas, as demais 20 porfirinas catiônicas são muito mais solúveis em água. Neste caso, o enfoque dos experimentos foi direcionado às aplicações biológicas propriamente ditas. Assim, além das propriedades fotofísicas associadas à formação de oxigênio singlete (1O2), também foram exploradas a influência do número dos substituintes periféricos sobre a ligação e danos fotooxidativos provocados em eritrócitos, lipossomos, mitocôndrias e células cancerígenas. Os resultados de ΦΔ mostraram ser inversamente proporcionais ao número de cargas positivas, para as porfirínas contendo grupos N-4metilpiridíniom. Estas diferenças foram consistentes com os efeitos de agregação, causados pela formação de dímeros ou oligômeros, no caso das espécies mais hidrofóbicas. Os coeficientes de partição em n-octanol/água (logPOA) corroboraram estes resultados, apresentando uma dependência inversamente proporcional ao número de cargas positivas ou proporcional ao número de resíduos fenila. As eficiências de ligação à bicamada lipídica mitocondrial, lipossomal e celular e os processos de peroxidação lipídica fotoinduzidos mostraram uma dependência proporcional aos valores de logPOA, exceto para as porfirinas contendo complexos de rutênio. O comportamento não linear neste último caso pode estar associada a dissociação da ligação rutênio-porfirina, devido a elevada força iônica das soluções fisiológicas utilizadas. Neste caso, a descoordenação dos complexos periféricos deve promover uma drástica diminuição da solubilidade do composto. Por este motivo os experimentos foram conduzidos somente com as espécies metiladas. No caso, de mitocôndrias isoladas verificou-se que a interação também apresenta uma razoável participação do potencial de membrana. De fato, quando a mitocôodria estava energizada foi observado um acréscimo de 15% no acúmulo da 3P2cMe em comparação com à mitocôndria desacoplada. Para as demais porfirinas houve um menor acúmulo com o aumento do número de resíduos N-3-metilpirídínio. Em todos os experimentos, um comportamento diferenciado foi observado no caso dos isômeros dicatiônicos. A espécie com cargas dispostas nas posições cis (3P2cMe) apresentou praticamente o dobro de eficiência que o correspondente isômero trans (3P2tMe). Este comportamento parece consistente com uma maior penetração da primeira espécie na bicamada lipídica, proporcionado pelo caráter antipático de sua estrutura química. Os resultados apresentados neste estudo mostraram que estas séries de meso-porfirinas catiônicas constituem sistemas bastante interessantes para a compreensão dos efeitos estruturais envolvidos na ação fotodinâmica dos compostos sobre membranas lipídicas, devido à possibilidade de modulação da relação hidrofilicidade/lipofilicidade, sem alterar significativamente a eficiência na formação de 1O2. Além disso, a disposição espacial das cargas positivas na estrutura do fotossensibilizador demonstrou ser extremamente crítica no processo de ancoragem do mesmo na membrana celular ou mitocondrial e consequentemente em causar efeitos fotooxidativos mais eficientemente. As porfirinas contendo grupos 3-metilpiridínio apresentam vantagens sobre as 4-metilpiridínio, normalmente estudas, por serem mais hidrofílicas, terem menor tendência de agregação e possuírem similar atividade fotodinâmica. Em especial, a estrutura anfipática da 3P2cMe associada a sua elevada formação de 1O2 e estabilidade lhe conferem uma interessante potencialidade como agente fototerapêutico.In this thesis the chemical, photochemical and photophysical relevant aspects for the development of new photosensitizers for photodynamic therapy applications are discussed. 20 conventional porphyrins species and 9 doubly Nconfused porphyrins species were investigated. The first series contains variable number (1 to 4) of cationic groups, [Ru(bipy)2CI]+ or CH3+ (figure 1), bound to the meta or para-pyridil N-atoms of meso-phenylpyridylporphyrins. On the other hand, the protonated, neutral and deprotonated doubly N-confused porphyrins possess two rotated adjacent pyrrol rings, such that they have two coordinating camon atoms. Consequently, transition metal ions in unusually high oxidation states such as Ag(lII) and Cu(lII) can be stabilized by this structure, while the outer pyrrol N-atoms are susceptible to protonation and deprotonation reactions, allowing the modulation of their electronic properties simply by controlling the pH of the solution. In general, the protonation perturbed more significantly the photochemical properties than the deprotonation. The neutral species exhibit intense absorption bands in the phototherapeutical range (600 to 750 nm), associated with a high singlet oxygen sensitization quantum yield (ΦΔ> 0,90 for the Ag(lII) complex). Furthermore, a photodecomposition process due to the reaction with 1O2 was also identified. Both ΦΔ and photodecomposition are influenced by the metal ion coordinated to the doubly N-confused porphyrin ring. The coordination of Ag(lIl) and Cu(lII) increased ΦΔ, probably due to the enhancement of intersystem crossing quantum yield associated with the heavy atom effects. However, AgHN2CP is much more stable than CuHN2CP or the free-base, but the reasons are not clear and should be further investigated. The above results clearly evidence the superior properties of the Ag(lIl) complex as photosensitizer for PDT applications. The 20 cationic pyridylporphyrin derivatives are much soluble in water and experiments directed to biological applications could be carried out. Accordingly, in addition to the quantum yield for singlet oxygen generation(1O2), the effect of the stereochemistry and number and position of the electrically charged substituents on the binding constants and photooxidative damage on erythrocytes, lipossomes, mitochondria and HeLa cells were evaluated. The ΦΔ values were constant in the case of the N-3-methylpyridinium derivatives but inversely proportional to the number of positive charges for the N-4-methylpyridinium derivatives. This was assigned to an increase of aggregation of the sensitizers as the number of meso-phenyl rings and the lipophylicity increase. The partition coefficients in n-octanol/water (logPOA) corroborate that assertion showing a linear correlation with increasing of the number of phenyl groups. The binding efficiency towards the mitochondrial, lipossomal and cellular membrane and the photo-induced lipidic peroxidation processes were directly proportional to the logPOA, except for the ruthenated porphyrins. This last behavior may be associated with the dissociation reactions of the rutheniumpyridylporphyrin bond in the physiologic solution. Accordingly, those experiments were carried out only with the methylpyridynium derivatives. For the first time, we showed inequivocally that the interaction of the methyllated porphyrins with mitochondria are significantly influenced by the membrane potential. In fact, when the mitochondria was energized a 15% increase was observed in the binding constants of 3P2cMe in comparison with teh results with decoupled mitochondria. Also, the amount of bond porphyrin sensitizer decreased as the number of methylpyridynium groups was increased, following the same tendency as above. The behavior of the cis (3P2cMe) and trans (3P2tMe) isomers didn\'t follow the general tendency for the other derivatives in a series, such that the binding constants of the cis isomers were always about twice higher than for the trans, which were much higher than predicted by the general behavior. This means that they can associate more strongly and penetrate deeper in the membrane than the more charged porphyrin derivatives. In particular, the cis species is amphiphilic, i.e. possess an adequate structure for that interaction. The results presented in this thesis showed conclusively that the two series of meso-phenylpyridylporphyrins are adequate for the investigation of the effect of the stereochemistry on the bonding ability and photodynamic properties of those photosensitizers. This is particularly true due to the possibility of modulating the ratio between hydrophobicitylhydrophylicity and the stereochemistry without influencing significantly the quantum yield for 1O2 generation. The meta- series showed an advantage over the conventionally used para- series of methylpyridynium porphyrins because it is more soluble and shows lesser tendency to aggregate. In condusion, the amphiphilic 3P2cMe is the species with the highest potentiallity as por sensitizer because of its high binding constants, low tendency to associate and high ΦΔ