Targeting of photooxidative damage on single-stranded DNA representing the bcr-abl chimeric gene using oligonucleotide-conjugates containing [Ru(phen)3](2+)-like photosensitiser groups

Photooxidative damage was induced predominantly at a single guanine base in a target DNA by irradiation (lambda > 330 nm) in the presence of complementary oligodeoxynucleotide conjugates (ODN-5'-linker-[Ru(phen)3]2+) (phen = 1,10-phenanthroline). The target DNA represents the b2a2 variant of the chimeric bcr-abl gene implicated in the pathogenesis of chronic myeloid leukaemia, and the sequence of the 17mer ODN component of the conjugate (3' G G T A G T T A T T C C T T C T T 5') was complementary to the junction region of the sense strand sequence of this oncogene. Two different conjugates were prepared, both of them by reaction of the appropriate succinimide ester with 5'-hexylamino-derivatised 17mer ODN. In Ru-ODN-1 (7) the linker was -(CH2)6-NHCO-bpyMe (-bpyMe = 4'-[4-methyl-2,2'-bipyridyl]), whereas in Ru-ODN-2 (13) it was -(CH2)6-NHCO-(CH2)3-CONH-phen. Photoexcitation of either of the conjugates when hybridised with the 32P-5'-end-labelled target 34mer 5'T G A C C A T C A A T A A G G A A G A A G21 C C C T T C A G C G G C C 3' (ODN binding site underlined) led to an alkali-labile site predominantly (> 90%) at the G21 base, which is at the junction of double-stranded and single-stranded regions of the hybrid. Greater yields were found with Ru-ODN-1 (7) than with Ru ODN-2 (13). In contrast to this specific cleavage with Ru-ODN-1 (7) or Ru-ODN-2 (13), alkali-labile sites were generated at all guanines when the 34mer was photolysed in the presence of the free sensitiser [Ru(phen)3]2+. Since [Ru(phen)3]2+ was shown to react with 2'-deoxyguanosine to form the diastereomers of a spiroiminodihydantoin derivative (the product from 1O2 reaction), 1O2 might also be an oxidizing species in the case of Ru-ODN-1 (7) and Ru-ODN-2 (13). Therefore to determine the range of reaction, a series of 'variant' targets was prepared, in which G21 was replaced with a cytosine and a guanine substituted for a base further towards the 3'-end (e.g. Variant 3; 5'T G A C C A T C A A T A A G G A A G A A C C G23 C T T C A G C G G32 C C3'). While it was noted that efficient reaction took place at distances apparently remote from the photosensitiser (e.g at G32, but not G23 for Variant 3), this effect could be attributed to hairpinning of the single-stranded region of the target. These results are therefore consistent with the photooxidative damage being induced by a reaction close to the photosensitiser rather than by a diffusible species such as 1O2.

Thiol isomerases negatively regulate the cellular shedding activity of ADAM17

ADAM17 (where ADAM is 'a disintegrin and metalloproteinase') can rapidly modulate cell-surface signalling events by the proteolytic release of soluble forms of proligands for cellular receptors. Many regulatory pathways affect the ADAM17 sheddase activity, but the mechanisms for the activation are still not clear. We have utilized a cell-based ADAM17 assay to show that thiol isomerases, specifically PDI (protein disulfide isomerase), could be responsible for maintaining ADAM17 in an inactive form. Down-regulation of thiol isomerases, by changes in the redox environment (for instance as elicited by phorbol ester modulation of mitochondrial reactive oxygen species) markedly enhanced ADAM17 activation. On the basis of ELISA binding studies with novel fragment antibodies against ADAM17 we propose that isomerization of the disulfide bonds in ADAM17, and the subsequent conformational changes, form the basis for the modulation of ADAM17 activity. The shuffling of disulfide bond patterns in ADAMs has been suggested by a number of recent adamalysin crystal structures, with distinct disulfide bond patterns altering the relative orientations of the domains. Such a mechanism is rapid and reversible, and the role of thiol isomerases should be investigated further as a potential factor in the redox regulation of ADAM17.

Methylene Blue-Loaded Dissolving Microneedles: Potential Use in Photodynamic Antimicrobial Chemotherapy of Infected Wounds

Photodynamic therapy involves delivery of a photosensitising drug that is activated by light of a specific wavelength, resulting in generation of highly reactive radicals. This activated species can cause destruction of targeted cells. Application of this process for treatment of microbial infections has been termed "photodynamic antimicrobial chemotherapy" (PACT). In the treatment of chronic wounds, the delivery of photosensitising agents is often impeded by the presence of a thick hyperkeratotic/necrotic tissue layer, reducing their therapeutic efficacy. Microneedles (MNs) are an emerging drug delivery technology that have been demonstrated to successfully penetrate the outer layers of the skin, whilst minimising damage to skin barrier function. Delivering photosensitising drugs using this platform has been demonstrated to have several advantages over conventional photodynamic therapy, such as, painless application, reduced erythema, enhanced cosmetic results and improved intradermal delivery. The aim of this study was to physically characterise dissolving MNs loaded with the photosensitising agent, methylene blue and assess their photodynamic antimicrobial activity. Dissolving MNs were fabricated from aqueous blends of Gantrez(®) AN-139 co-polymer containing varying loadings of methylene blue. A height reduction of 29.8% was observed for MNs prepared from blends containing 0.5% w/w methylene blue following application of a total force of 70.56 N/array. A previously validated insertion test was used to assess the effect of drug loading on MN insertion into a wound model. Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans biofilms were incubated with various methylene blue concentrations within the range delivered by MNs in vitro (0.1-2.5 mg/mL) and either irradiated at 635 nm using a Paterson Lamp or subjected to a dark period. Microbial susceptibility to PACT was determined by assessing the total viable count. Kill rates of >96%, were achieved for S. aureus and >99% for E. coli and C. albicans with the combination of PACT and methylene blue concentrations between 0.1 and 2.5 mg/mL. A reduction in the colony count was also observed when incorporating the photosensitiser without irradiation, this reduction was more notable in S. aureus and E. coli strains than in C. albicans.

Hydrogel-Forming Microneedle Arrays Allow Detection of Drugs and Glucose In Vivo: Potential for Use in Diagnosis and Therapeutic Drug Monitoring

We describe, for the first time the use of hydrogel-forming microneedle (MN) arrays for minimally-invasive extraction and quantification of drug substances and glucose from skin in vitro and in vivo. MN prepared from aqueous blends of hydrolysed poly(methyl-vinylether-co-maleic anhydride) (11.1% w/w) and poly(ethyleneglycol) 10,000 daltons (5.6% w/w) and crosslinked by esterification swelled upon skin insertion by uptake of fluid. Post-removal, theophylline and caffeine were extracted from MN and determined using HPLC, with glucose quantified using a proprietary kit. In vitro studies using excised neonatal porcine skin bathed on the underside by physiologically-relevant analyte concentrations showed rapid (5 min) analyte uptake. For example, mean concentrations of 0.16 μg/mL and 0.85 μg/mL, respectively, were detected for the lowest (5 μg/mL) and highest (35 μg/mL) Franz cell concentrations of theophylline after 5 min insertion. A mean concentration of 0.10 μg/mL was obtained by extraction of MN inserted for 5 min into skin bathed with 5 μg/mL caffeine, while the mean concentration obtained by extraction of MN inserted into skin bathed with 15 μg/mL caffeine was 0.33 μg/mL. The mean detected glucose concentration after 5 min insertion into skin bathed with 4 mmol/L was 19.46 nmol/L. The highest theophylline concentration detected following extraction from a hydrogel-forming MN inserted for 1 h into the skin of a rat dosed orally with 10 mg/kg was of 0.363 μg/mL, whilst a maximum concentration of 0.063 μg/mL was detected following extraction from a MN inserted for 1 h into the skin of a rat dosed with 5 mg/kg theophylline. In human volunteers, the highest mean concentration of caffeine detected using MN was 91.31 μg/mL over the period from 1 to 2 h post-consumption of 100 mg Proplus® tablets. The highest mean blood glucose level was 7.89 nmol/L detected 1 h following ingestion of 75 g of glucose, while the highest mean glucose concentration extracted from MN was 4.29 nmol/L, detected after 3 hours skin insertion in human volunteers. Whilst not directly correlated, concentrations extracted from MN were clearly indicative of trends in blood in both rats and human volunteers. This work strongly illustrates the potential of hydrogel-forming MN in minimally-invasive patient monitoring and diagnosis. Further studies are now ongoing to reduce clinical insertion times and develop mathematical algorithms enabling determination of blood levels directly from MN measurements.

Abundance and diversity of sedimentary bacterial communities in a coastal productive setting in the Western Irish Sea

The bacterial community composition and biomass abundance from a depositional mud belt in the western Irish Sea and regional sands were investigated by phospholipid ester-linked fatty acid profiling, denaturing gradient gel electrophoresis and barcoded pyrosequencing of 16S rRNA genes. The study area varied by water depth (12-111 m), organic carbon content (0.09-1.57% TOC), grain size, hydrographic regime (well-mixed vs. stratified), and water column phytodetrital input (represented by algal polyunsaturated PLFA). The relative abundance of bacterial-derived PLFA (sum of methyl-branched, cyclopropyl and odd-carbon number PLFA) was positively correlated with fine-grained sediment, and was highest in the depositional mud belt. A strong association between bacterial biomass and eukaryote primary production was suggested based on observed positive correlations with total nitrogen and algal polyunsaturated fatty acids. In addition, 16S rRNA genes affiliated to the classes Clostridia and Flavobacteria represented a major proportion of total 16S rRNA gene sequences. This suggests that benthic bacterial communities are also important degraders of phytodetrital organic matter and closely coupled to water column productivity in the western Irish Sea.

Naturally-occurring TGR5 agonists modulating glucagon-like peptide-1 biosynthesis and secretion

Selective GLP-1 secretagogues represent a novel potential therapy for type 2 diabetes mellitus. This study examined the GLP-1 secretory activity of the ethnomedicinal plant, Fagonia cretica, which is postulated to possess anti-diabetic activity. After extraction and fractionation extracts and purified compounds were tested for GLP-1 and GIP secretory activity in STC-1 pGIP/neo cells. Intracellular levels of incretin hormones and their gene expression were also determined. Crude F. cretica extracts stimulated both GLP-1 and GIP secretion, increased cellular hormone content, and upregulated gene expression of proglucagon, GIP and prohormone convertase. However, ethyl acetate partitioning significantly enriched GLP-1 secretory activity and this fraction underwent bioactivity-guided fractionation. Three isolated compounds were potent and selective GLP-1 secretagogues: quinovic acid (QA) and two QA derivatives, QA-3β-O-β-D-glycopyranoside and QA-3β-O-β-D-glucopyranosyl-(28→1)-β-D-glucopyranosyl ester. All QA compounds activated the TGR5 receptor and increased intracellular incretin levels and gene expression. QA derivatives were more potent GLP-1 secretagogues than QA. This is the first time that QA and its naturally-occurring derivatives have been shown to activate TGR5 and stimulate GLP-1 secretion. These data provide a plausible mechanism for the ethnomedicinal use of F. cretica and may assist in the ongoing development of selective GLP-1 agonists.

Implication of modified molecular structure of lipid through heat-related process to fatty acids supply in Brassica carinata seed.

This study was conducted to explore the effect of different autoclave heating times (30, 60 and 90 min) on fatty acids supply and molecular stability in Brassica carinata seed. Multivariate spectral analyses and correlation analyses were also carried out in our study. The results showed that autoclaving treatments significantly decreased the total fatty acids content in a linear fashion in B. carinata seed as heating time increased. Reduced concentrations were also observed in C18:3n3, C20:1, C22:1n9, monounsaturated fatty acids (MUFA), polyunsaturated fatty acids (PUFA), omega 3 (ω-3) and 9 (ω-9) fatty acids. Correspondingly, the heated seeds showed dramatic reductions in all the peak intensities within lipid-related spectral regions. Results from agglomerative hierarchical cluster analysis (AHCA) and principal component analysis (PCA) indicated that the raw oilseed had completely different structural make-up from the autoclaved seeds in both CH3 and CH2 asymmetric and symmetric stretching region (ca. 2999–2800 cm−1) and lipid ester Cdouble bond; length as m-dashO carbonyl region (ca. 1787–1706 cm−1). However, the oilseeds heated for 30, 60 and 90 min were not grouped into separate classes or ellipses in all the lipid-related regions, indicating that there still exhibited similarities in lipid biopolymer conformations among autoclaved B. carinata seeds. Moreover, strong correlations between spectral information and fatty acid compositions observed in our study could imply that lipid-related spectral parameters might have a potential to predict some fatty acids content in oilseed samples, i.e. B. carinata. However, more data from large sample size and diverse range would be necessary and helpful to draw up a final conclusion.

Wavelet entropy of Doppler ultrasound blood velocity flow waveforms distinguishes nitric oxide-modulated states

Wavelet entropy assesses the degree of order or disorder in signals and presents this complex information in a simple metric. Relative wavelet entropy assesses the similarity between the spectral distributions of two signals, again in a simple metric. Wavelet entropy is therefore potentially a very attractive tool for waveform analysis. The ability of this method to track the effects of pharmacologic modulation of vascular function on Doppler blood velocity waveforms was assessed. Waveforms were captured from ophthalmic arteries of 10 healthy subjects at baseline, after the administration of glyceryl trinitrate (GTN) and after two doses of N(G)-nitro-L-arginine-methyl ester (L-NAME) to produce vasodilation and vasoconstriction, respectively. Wavelet entropy had a tendency to decrease from baseline in response to GTN, but significantly increased after the administration of L-NAME (mean: 1.60 ± 0.07 after 0.25 mg/kg and 1.72 ± 0.13 after 0.5 mg/kg vs. 1.50 ± 0.10 at baseline, p < 0.05). Relative wavelet entropy had a spectral distribution from increasing doses of L-NAME comparable to baseline, 0.07 ± 0.04 and 0.08 ± 0.03, respectively, whereas GTN had the most dissimilar spectral distribution compared with baseline (0.17 ± 0.08, p = 0.002). Wavelet entropy can detect subtle changes in Doppler blood velocity waveform structure in response to nitric-oxide-mediated changes in arteriolar smooth muscle tone.

Hydrogel-forming microneedle arrays: Potential for use in minimally-invasive lithium monitoring

We describe, for the first time, hydrogel-forming microneedle (MN) arrays for minimally-invasive extraction and quantification of lithium in vitro and in vivo. MN arrays, prepared from aqueous blends of hydrolysed poly(methyl-vinylether-co-maleic anhydride) and crosslinked by poly(ethyleneglycol), imbibed interstitial fluid (ISF) upon skin insertion. Such MN were always removed intact. In vitro, mean detected lithium concentrations showed no significant difference following 30 min MN application to excised neonatal porcine skin for lithium citrate concentrations of 0.9 and 2 mmol/l. However, after 1 h application, the mean lithium concentrations extracted were significantly different, being appropriately concentration-dependent. In vivo, rats were orally dosed with lithium citrate equivalent to 15 mg/kg and 30 mg/kg lithium carbonate, respectively. MN arrays were applied 1 h after dosing and removed 1 h later. The two groups, having received different doses, showed no significant difference between lithium concentrations in serum or MN. However, the higher dosed rats demonstrated a lithium concentration extracted from MN arrays equivalent to a mean increase of 22.5 % compared to rats which received the lower dose. Hydrogel-forming MN clearly have potential as a minimally-invasive tool for lithium monitoring in out-patient settings. We will now focus on correlation of serum and MN lithium concentrations.

Microneedle-mediated delivery of donepezil: Potential for improved treatment options in Alzheimer's disease

Transdermal drug delivery is an attractive route of drug administration, however there are relatively few marketed transdermal products. To increase delivery across the skin, strategies to enhance skin permeability are widely investigated, with microneedles demonstrating particular promise. Hydrogel-forming microneedles are inserted into the skin, and following dissolution of a drug loaded reservoir and movement of the drug through the created channels, the microneedle array is removed intact, and can then be readily and safely discarded. This study presents the formulation and evaluation of an integrated microneedle patch containing the Alzheimer's drug, donepezil hydrochloride. The integrated patch consisted of hydrogel-forming microneedles in combination with a donepezil hydrochloride containing film. Formulation and characterisation of plasticised films, prepared from poly(vinylpyrrolidone) or poly (methyl vinyl ether co-maleic anhydride/acid) (Gantrez(®)) polymers, is presented. Furthermore, in vitro permeation of donepezil hydrochloride across neonatal porcine skin from the patches was investigated, with 854.71 μg ± 122.71 μg donepezil hydrochloride delivered after 24 h, using the optimum patch formulation. Following administration of the patch to an animal model, plasma concentrations of 51.8 ± 17.6 ng/mL were obtained, demonstrating the success of this delivery platform for donepezil hydrochloride.

Novos derivados porfirínicos: síntese e potenciais aplicações em PDT

O trabalho apresentado nesta dissertação descreve estudos desenvolvidos segundo três metodologias para a funcionalização de meso-tetra-arilporfirinas; uma delas baseada na funcionalização com diazo compostos, outra na reacção de Suzuki-Miyaura e a terceira na reacção de metátese. O presente documento é composto por quatro partes distintas. Na primeira parte são feitas considerações gerais sobre propriedades e aplicações de macrociclos porfirínicos. Na segunda parte é apresentado o trabalho realizado na funcionalização de porfirinas com diazo compostos através de reacções de inserção com um catalisador de ródio(II). Este estudo envolveu a preparação de duas porfirinas com grupos O-H e N-H nas posições para dum substituinte meso-fenilo. Os estudos iniciaram-se com a reacção de 5-(4-hidroxifenil)-10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com diazoacetato de etilo na presença de Rh2(OAc)4. Obteve-se o produto esperado de inserção com bons rendimentos. A reacção de 5-(4-aminofenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com esse diazo composto na presença de Rh2(OAc)4 mostrou um perfil diferente do da reacção com o outro porfirinato. Foram obtidos três produtos, a saber: produto de bis-inserção e dois outros contendo o grupo funcional amida. Este capítulo descreve ainda a síntese de glicoporfirinas e de glicoclorinas através de reacções de inserção e de ciclopropanação envolvendo, respectivamente, os complexos 5-(4-hidroxifenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) e 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirinatozinco(II) com α-diazoacetatos com substituintes sacarídicos. Foram usados, como catalisadores, Rh2(OAc)4 e CuCl, respectivamente, na reacção de inserção e na de ciclopropanação. Tendo em vista a sua aplicação em PDT, os novos produtos foram descomplexados e a unidade glicosídica foi desprotegida. Estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que os compostos obtidos são bons geradores dessa espécie citotóxica. Foram também realizados estudos de avaliação da actividade fotodinâmica em células humanas tumorais HeLa e em células humanas saudáveis HaCaT. Estudos de viabilidade celular, após tratamento fotodinâmico, mostraram que as glicoclorinas são mais eficazes na fotoinactivação das células tumorais. Apenas o derivado da clorina com a unidade de galactose mostrou selectividade para a linha celular tumoral, inibindo o crescimento desta e não causando efeito significativo na linha celular saudável. Este fotossensibilizador não foi tóxico na ausência de luz e depois do tratamento fotodinâmico e em condições sub-letais, provocou vacuolização citoplasmática e retracção pronunciada nas células tumorais, enquanto que nas células saudáveis os danos sofridos foram escassos. Nos estudos de localização celular este fotossensibilizador localizou-se na membrana citoplasmática e nos lisossomas tanto nas células HeLa como nas HaCaT. Na terceira parte deste trabalho são descritos os resultados obtidos nos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de Suzuki-Miyaura. O complexo 2-(4,4,5,5,-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) foi o composto escolhido como reagente de partida. Usando a reacção de Suzuki foi possível sintetizar complexos β-bromoarilporfirínicos em bons rendimentos. Estes complexos foram sujeitos à reacção de Suzuki com pinacolborano, tendo sido possível obter os produtos de acoplamento esperados e ainda derivados diméricos de complexos porfirínicos ligados por unidades fenileno. Esta metodologia reacional, catalisada por paládio, permitiu ainda sintetizar novos derivados quinolona-porfirina através da reacção do complexo porfirínico β-borilado anteriormente referido com bromo-quinolonas Nsubstiuídas com grupos alquílicos e glicosídicos. Deste modo foram obtidos derivados quinolona-porfirina em bons rendimentos. Com vista a realizar estudos de potencial aplicação em PACT, foram hidrolisados os grupos éster da unidade de quinolona e clivados os grupos protectores das unidades glicosídicas desses derivados. No estudo por MS Tandem (MS/MS) foi possível verificar que os isómeros dos derivados quinolona-porfirina sofrem as mesmas vias de fragmentação, confirmando as suas estruturas análogas. Foi possível ainda distinguir os derivados em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da posição C-6 da quinolona daqueles em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da sua posição C-7. Os estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que as porfirinas β- substituídas com unidades de quinolona são melhores geradoras desta espécie citotóxica do que a tetrafenilporfirina e que a eficiência que têm em gerar essa espécie é afectada pela posição da ligação entre a porfirina e a quinolona, assim como com o tipo do N-substituinte da quinolona. As bases livres dos conjugados quinolona-porfirinatos foram testadas como fotossensibilizadores em PACT em células do parasita Leishmania Braziliensis, tendo-se observado que estes compostos têm capacidade para fotoinactivar este parasita. Na quarta parte deste trabalho são descritos os resultados dos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de metátese com catalisador de Grubbs, visando a obtenção de novos macrociclos com grupos triazolilo. Verificouse que a eficiência da reacção de metátese cruzada entre 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) e 4-vinil-1,2,3-triazóis N-substituídos dependia das condições reaccionais e do triazol usado em cada caso. Foi possível ainda concluir que o impedimento estéreo das espécies envolvidas é um dos responsáveis pelo ciclo catalítico prosseguir por uma via secundária, originando uma espécie de ruténio pouco eficiente como catalisador. Este estudo foi estendido à reacção dos 4-vinil-1,2,3-triazois seleccionados com 2-butadienil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatoniquel(II); em cada caso foi possível obter uma mistura de isómeros dos derivados triazol-porfirina, geralmente em maiores rendimentos globais do que na reacção com 2-vinil-5,10,15,20-tetrafenilporfirinatozinco(II). Este facto será indicativo de que a reacção de metátase com esse derivado porfirínico segue, predominantemente, a via mais eficiente.

Síntese e potenciais aplicações de novas porfirinas β-funcionalizadas

Neste trabalho é descrita a síntese de novos derivados porfirínicos com potencial aplicação em terapia fotodinâmica (PDT) e como quimiossensores para o reconhecimento molecular de catiões metálicos. Os novos compostos foram preparados usando como “template” 2-formil-5,10,15,20-tetrafenilporfirina através de diferentes abordagens sintéticas, tais como, reações de cicloadição 1,3-dipolar ou reações do tipo condensação aldólica. Depois de uma breve introdução sobre porfirinas segue-se no capítulo 2 a descrição dos estudos de formilação de Vilsmeier-Haack dos complexos de Ni(II) e Cu(II) de meso-tetra-arilporfirinas realizados usando irradiação de microondas. Utilizando os complexos de Ni(II) e Cu(II) da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina foram considerados vários solventes, potências de irradiação e tempos de reação; as melhores condições encontradas foram aplicadas a outras mesotetra- arilporfirinas. Os derivados formilados resultantes da reação de formilação de Vilsmeier-Haack com irradiação de micro-ondas foram isolados em bons rendimentos e com significativa redução no tempo de reação, que passou de horas, em condiçoes clássicas de aquecimento, para minutos sob irradiação de micro-ondas. O “scale-up” da reação, nas condições estabelecidas, mostrou ser eficiente não sendo a reação afetada pelo aumento da quantidade de porfirina. O capítulo 3 descreve a reação de ciclo-adição 1,3-dipolar de meso-tetraarilporfirinas com iminas de nitrilo, geradas in situ por desidrobromação de hidrazono-α-bromoglioxilatos de etilo na presença de base. A reação de iminas de nitrilo com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina, na presença de K2CO3 em tolueno a refluxo, permitiu isolar novas pirazoloclorinas em rendimentos moderados. Foram investigadas as propriedades fotofísicas das novas clorinas e os resultados sugerem que duas delas apresentam potencialidades para serem utilizadas em PDT. Este tipo de reações foi estendida ao complexo 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II); este complexo reagiu com as iminas de nitrilo obtendo-se os correspondentes derivados porfirina-pirazolina em rendimentos que variaram entre valores de bom e de excelente. A regioquímica dos derivados porfirina-pirazolina formados foi elucidada por RMN e confirmada por difração de raios-X. O tratamento dos derivados porfirina-pirazolina com DDQ proporciona os correspondentes derivados porfirina-pirazol com rendimentos de moderados a excelentes. Quando os derivados porfirina-pirazolina foram submetidos a condições de hidrólise básica, observou-se não só a hidrólise do grupo éster presente no anel pirazolínico mas também a concomitante oxidação desta unidade heterocíclica, isolando-se assim, num único passo reacional, novos derivados de tipo porfirinapirazol com um grupo carboxílico. A descomplexação dos complexos de Zn(II) foi realizada na presença de TFA, tendo-se isolado quantitativamente os respetivos derivados na forma de bases livres.Foram estudadas algumas das propriedades fotofísicas de todos os compostos obtidos, quer na forma de complexos de Zn(II), quer na forma de base livre. Duma forma geral, todos os compostos preparados mostraram ser bons geradores de oxigénio singleto, o que os torna interessantes para possível utilização como fotossensibilizadores em PDT. No capítulo 4 é descrita a reação de 2-formil-5,10,15,20-tetrafenilporfirina com aril-cetonas e acetato de amónio, na presença de La(OTf)3, o que permitiu isolar novas benzoporfirinas e 2-(2,6-diarilpiridina-4-il)porfirinas. Esta metodologia foi utilizada para preparar, pela primeira vez, uma 2-(2,2':6,2''- terpiridin-4-il)porfirina. As estruturas de duas das 2-(2,6-diarilpiridin-4- il)porfirinas foram confirmadas por difração de raios-X de cristal único. A metodologia descrita permite ainda preparar novos derivados de tipo porfirinacalcona, apenas com pequenos ajustes nas condições reacionais através de uma reação do tipo condensação aldólica. Os derivados do tipo porfirinacalcona foram posteriormente usados para preparar derivados do tipo porfirinapirazol 1,3,5-tri-substituídos em bons rendimentos, através de reação de condensação com fenil-hidrazina. Em cada um dos capítulos é descrito os procedimentos experimentais e a caracterização espectroscópica (RMN, UV-vis e massa) dos novos compostos isolados. Em alguns casos foi necessário o recurso a técnicas de RMN bidimensionais como COSY, NOESY, HSQC e HMBC. Os compostos preparados neste trabalho foram ainda objecto de estudos de avaliação das respetivas potencialidades para actuarem como quimiossensores para o reconhecimento de catiões metálicos, nomeadamente, Cu(II), Ag(I), Zn(II), Cd(II) e Hg(II). Assim no capítulo 5 é descrita a caracterização fotofísica dos compostos preparados no capítulo 4 e, os estudos destes como potenciais quimiossensores. Os estudos para verificar a potencialidade dos compostos como quimiossensores foram efectuados: i) em solução, através de titulações espectrofotométricas e espectrofluorimétricas, ii) no estado sólido, recorrendo à preparação de filmes de PMMA dopados com os ligandos porfirínicos em estudo e, iii) na fase gasosa, seguindo as titulações dos ligandos com metais por espectrometria de massa (MALDI-TOF-MS). Os compostos estudados mostraram ter capacidade para atuarem como quimiossensores de catiões metálicos capazes de distinguirem entre os iões Zn(II) e Hg(II).

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

Síntese de ésteres catalisada por fosfatos e fosfonatos metálicos(IV)

No âmbito do Mestrado em Química, com especialização em Química Orgânica e Produtos Naturais, será apresentado nesta dissertação o trabalho desenvolvido sobre a síntese e caracterização de fosfatos e fosfonatos metálicos tetravalentes, assim como a avaliação da sua capacidade catalítica em reações de esterificação. Iniciou-se este trabalho pela síntese de vários fosfatos e fosfonatos metálicos tetravalentes, que apresentam a fórmula geral MIV(HXO4)2.nH2O e MIV(RXO3)2.nH2O, respetivamente, onde MIV = Zr, X = P, W, Mo e R = grupo orgânico. Os compostos sintetizados foram caracterizados por espetroscopia de infravermelho, difração de raios-X de pós e por análise elementar e termogravimétrica. Os fosfatos e fosfonatos metálicos tetravalentes foram avaliados como catalisadores em reações de esterificação de Fischer entre os ácidos acético, ou benzóico, e diferentes álcoois. Após esta avaliação foram efetuados estudos de otimização das condições reacionais para a síntese de cada éster. Em cada um dos casos foi utilizado o catalisador com o qual se obtiveram os melhores rendimentos nos estudos iniciais, ou seja com o molibdato-fenilfosfonato de zircónio(IV), ZrMoPhP. Todas as reações foram monitorizadas por cromatografia gasosa ou por cromatografia líquida de alta pressão. Todos os ésteres foram identificados por comparação com os padrões correspondentes.

Sustainable viticulture in Bairrada appellation: vineyard and harvest year effects on grapes oenological potential

The sustainable viticulture of a region passes, among other aspects, for maximizing the varieties potential minimizing subsequent interventions during winemaking, which should contribute to the production of quality wines maintaining their typicity and rationalizing costs. The detailed knowledge of each Appellation specificities, namely vineyard parcel (soil type and topographical peculiarities) and harvest climatic conditions is crucial for sustainability in this sector. Thus, in line with this current trend, the starting point for the development of this PhD thesis was to evaluate the oenological potential of different varieties cultivated throughout Bairrada Appellation (Portugal). During maturation several changes in grape varieties occur, namely berries become sweeter, less acidic, and they develop flavour, aroma and colour properties. The development of these characteristics is essential to define grapes oenological potential, i.e. to estimate the possibility of their usage to produce specific wines. A three years sampling plan was designed to evaluate the effect of harvest year and parcel characteristics on V. vinifera cv. Arinto, Bical, Sauvignon Blanc, Baga, Castelão, Touriga Nacional, and Sousão grapes composition. For each variety, 3 parcels with different characteristics were selected. Several physicochemical parameters were evaluated, during maturation: berry weight, pH, titratable acidity, sugar and phenolic contents, antiradical activity, and volatile composition (free fraction). Special attention was devoted to grapes at technologic maturity, since, besides these parameters, glycosidically-linked fraction was also considered. By using the results obtained at technologic maturity, a comprehensive approach was applied to identify the significance of harvest and parcel characteristics effects on each variety composition. Considering all the parameters under study, it may be highlighted some significant differences. According to the obtained results determined during maturation, it was possible to conclude that Arinto, Bical and Sauvignon Blanc grapes from parcels with clay-sandy and clay-calcareous soils have higher phenolic content and antiradical activity. Otherwise, Sauvignon Blanc presented similar volatile composition for grapes cultivated in the 3 parcels, while Arinto and Bical exhibited higher volatile content in grapes from claysandy and clay-calcareous soils. For Baga, Castelão and Touriga Nacional red varieties, grapes with higher phenolic content, antiradical activity, and volatile content were obtained from clayey and clay-calcareous soils. Furthermore, for Touriga Nacional, parcels altitude seems also to modulate grapes composition. Beyond parcel effect, harvest year conditions also influence grapes composition: 2011 harvest was related with lower phenolic and volatile contents, as well as lower antiradical activity.For grapes collected at technologic maturity, analysis of variance-simultaneous component analysis (ASCA) was applied combining all the parameters under study, in order to assess the influence of harvest and parcel characteristics on each variety oenological potential. The results obtained using this comprehensive approach is closely related with those observed during maturation and revealed that harvest was the main factor that influenced grapes composition (53% to 68% of the total data set variance) followed by parcel characteristics, explaining ca. 15-19% of the total data set variance. The oenological potential of each variety may be different from one parcel to another, i.e., clay-sandy and clay-calcareous related-environments seem to favour Arinto and Bical white grapes composition, but for the red varieties, grapes composition was favoured by clayey and clay-calcareous soils. Besides, also higher altitude seems to favour Touriga Nacional grapes composition. Sauvignon Blanc seems to be a variety well adapted to the different parcel characteristics. In order to go forward in the valuation of these varieties, the aroma properties of 6 monovarietal wines were studied based on an aroma network-approach, linking molecular data related to volatile composition and aroma data about the key odor active molecules. This approach allowed to identify different wine aroma properties and to infer about the consumer’s sensory perception. It was found that aroma properties differ from one wine variety to another: while Arinto and Sauvignon Blanc wine exhibited higher tree fruity, sweety and flowery aromas, related essentially with ester compounds and C13 norisoprenoids, the opposite was obtained for Bical wine, corroborating the aroma sensory perceptions of the trained panel. Sauvignon Blanc also exhibited higher toasted aromas (related with thiols, mainly with 2-methyl-3-furanthiol). Touriga Nacional red wine exhibited higher tree, tropical, and berry fruits notes (sensory described as sweet fruits), toasted and flowery aromas, while these are similar for the other red wines under study. Besides Portuguese Bairrada wines, this aroma network approach is a tool that can be used to explain the aroma properties of wines worldwide. The grape and wine data generated under the present PhD thesis, in the context of Bairrada Appellation, shows the unique character of each variety, and may be used by growers and wine producers as a support for decisionmaking based on objective criteria, increasing the sustainability in this sector. For instance, it is possible to take advantage of the natural resources and produce products with different characteristics obtained from the same variety, minimizing costs during the winemaking process.