Development of Potential Antibacterial Agents through Sustainable Synthetic Strategies

Dissertação de Mestrado em Química Medicinal apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO aumento do aparecimento de casos de bactérias multirresistentes tem conduzido a uma necessidade crescente de desenvolver novas entidades químicas e/ou terapias alternativas. No âmbito do desenvolvimento de novas entidades químicas, moléculas com a função acetal podem ser incorporadas em redes pro-antimicrobianas de libertação sustentada de um agente antibacteriano com a função aldeído, integrando uma área de investigação de elevado interesse científico. Numa outra vertente, o uso de terapias alternativas como a terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT) têm revelado resultados promissores no tratamento de infeções localizadas. Assim, o objetivo principal do trabalho apresentado nesta Dissertação visa a síntese e avaliação biológica de compostos com potencial aplicação como agentes antibacterianos e precursores de polímeros pro-antimicrobianos de entrega e libertação gradual dos mesmos.No Capítulo 1 é abordada a problemática da resistência aos antibióticos e os seus mecanismos associados. De seguida são apresentados diversos estudos com moléculas funcionalizadas com a função aldeído ou acetal com atividade antibacteriana descrita até à atualidade. São ainda discutidas as redes pro-antimicrobianas via degradação de acetais (PANDAs), qual o seu princípio de ação, assim como a análise dos resultados descritos na literatura. Finalmente, é apresentada uma estratégia sintética sustentável para reações de acetalização, reações estas que permitem o desenvolvimento de acetais, função estrutural presente em precursores de PANDAs.O Capítulo 2 apresenta-se subdividido em duas principais secções: a preparação de acetais alílicos como potenciais precursores de PANDAs e ensaios de suscetibilidade antibacteriana. No que toca à síntese de acetais alílicos, primeiramente é descrita a seleção do catalisador ácido heterogéneo reutilizável e a transposição das reações de acetalização para sistemas de fluxo contínuo. O substrato modelo para esta última foi o 3-fenilpropanal 1.9, tendo-se selecionado a resina Montmorillonite K10 como catalisador ácido. Após otimização, obteve-se conversões de 97% para um tempo de residência de 10 min. De seguida, uma vez otimizada a reação, foi estudada a sua transposição para outros substratos, nomeadamente para o cinamaldeído 1.10 (sem conversão) e o nonanal 1.11 (97% conversão). Uma vez que a preparação dos acetais alílicos foi concebida com o propósito de desenvolver novos PANDAs, não tendo sido possível o seu desenvolvimento por limitações temporais, avaliou-se a atividade dos aldeídos que seriam libertados como agentes antibacterianos após hidrólise do acetal. Do conjunto de moléculas testadas contra E. coli ATCC 25922, os aldeídos 1.9 e 1.10 foram os que apresentaram os valores mais elevados de diâmetro de inibição, com um valor médio de 14 mm para uma quantidade de 7,5x10-6 mol (≈ 1 μL). O Capítulo 3 descreve-se a síntese de novos fotossensibilizadores (PS) catiónicos do tipo trans-di-imidazolil porfirina, cuja anfifilicidade foi modulada numa tentativa de desenvolver moléculas com estruturas e propriedades otimizadas para uso em terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT). A família de porfirinas catiónicas desenvolvida foi preparada pela cationização da 5,15-bis(1-metilimidazol-2-il)porfirina com iodometano para 3.2, 1,1,1-trifluoro-3-iodopropano para 3.3 e 3-iodopropanol para 3.4, obtendo-se rendimentos finais de 82%, 84% e 59%, respetivamente. Os estudos fotofísicos e fotoquímicos realizados revelaram elevadas absortividades molares (log ε = 3,17 – 4,73) e rendimentos quânticos de formação de oxigénio singuleto entre 0,27 – 0,63. Posteriormente, prosseguiu-se para estudos de fotoinativação da E. coli ATCC 25922, utilizando diferentes concentrações de PS, para uma dose de luz de 1,36 J/cm2. Para a concentração mínima estudada (100 nM), o valor de fotoinativação mais elevado (4 log10) foi obtido para 3.4. De modo a potenciar o efeito bactericida da aPDT, a ação fotodinâmica deste PS (50 nM, 1,36 J/cm2) foi combinada com 1.10 (1 mg/mL). Os estudos de terapia dual apresentaram-se bastante promissores, ocorrendo inativação completa (>6 log10) da E. coli nestas condições, evidenciando um relevante efeito sinérgico. No capítulo 4 são descritas todas as técnicas e procedimentos experimentais envolvidos na síntese e caracterização dos compostos sintetizados nesta Dissertação.The increasing emergence of multidrug-resistant bacteria has led to a growing need to develop new chemical entities and/or alternative therapies. Within the scope of the development of new chemical entities, molecules with the acetal function can be incorporated in pro-antimicrobial networks for sustained release of an antibacterial agent with the aldehyde function, which constitute a research area of high scientific interest. In another aspect, the use of alternative therapies such as antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) has shown promising results in the treatment of localized infections. Thus, the main objective of the work presented in this dissertation aimed at the synthesis and biological evaluation of compounds with potential application as antibacterial agents and precursors of pro-antimicrobial biopolymers for their gradual release. Chapter 1 addresses the issue of antibiotic resistance and its associated mechanisms. Then, the several studies regarding functionalized molecules with aldehyde or acetal function with antibacterial activity reported to date are presented. Pro-antimicrobial network via degradable acetals (PANDAs) are also discussed, as well as their principle of action and the analysis of the results described in the literature. Finally, a sustainable synthetic strategy for acetalization reactions is presented, which allows the development of acetals, a structural function present in PANDA precursors. Chapter 2 is divided into two main sections: the preparation of allylic acetals as potential precursors of PANDAs and antibacterial susceptibility assays. Regarding the synthesis of allylic acetals, the selection of the reusable heterogeneous acid catalyst and the transposition of the acetalization reactions to continuous flow systems are described. The model substrate used for the optimization of the acetalization reaction was 3-phenylpropanal 1.9 and the selected resin for the acid catalyst was Montmorillonite K10. After the optimization of this reaction, conversions of 97% were obtained for a residence time of only 10 min. Then, the acetalization reaction was transposed to other substrates, namely cinnamaldehyde 1.10 (no conversion) and nonanal 1.11 (97% conversion). Since the preparation of allylic acetals was designed with the purpose of developing new PANDAs, although their development was not possible due to time limitations, the activity of the aldehydes that would be released as the antibacterial agent after hydrolysis of the acetal was evaluated. Among the set of aldehydes tested against E. coli ATCC 25922, 1.9 and 1.10 showed the highest values of inhibition diameter, with an average value of 14 mm for an amount of 7.5x10-6 mol (≈ 1 μL). Chapter 3 describes the synthesis of new cationic trans-di-imidazolyl porphyrin-based photosensitizers, whose amphiphilicity was modulated in attempt to develop molecules with optimized structures and properties for use in antimicrobial photodynamic therapy (aPDT). The family of cationic porphyrins developed was prepared by the cationization of 5,15-bis(1-methylimidazol-2-yl)porphyrin with iodomethane for 3.2, 1,1,1-trifluoro-3-iodopropane for 3.3 and 3-iodopropanol for 3.4, obtaining a final yield of 82%, 84% and 59%, respectively. The photophysical and photochemical studies performed revealed high molar absorptivities (log ε = 3.17 – 4.73) and quantum yields of singlet oxygen formation between 0.27 – 0.63. Subsequently, we proceeded with the photoinactivation studies of E. coli ATCC 25922, using different concentrations of photosensitizer, for a light dose of 1.36 J/cm2. For the minimum concentration studied (100 nM), the highest photoinactivation value (4 log10) was obtained for photosensitizer 3.4. In order to potentiate the bactericidal effect of aPDT, the photodynamic action of this photosensitizer (50 nM, 1.36 J/cm2) was combined with cinnamaldehyde (1 mg/mL). These dual therapy studies were very promising, with a complete inactivation (>6 log10) of E. coli occurring under these conditions, evidencing a relevant synergistic effect. In Chapter 4 all the techniques and experimental procedures involved in the synthesis and structural characterization of all the compounds synthesized in this dissertation are described