Novel Porphyrin-Incorporated Hydrogels for Photoactive Intraocular Lens Biomaterials

Novel surface-modified hydrogel materials have been prepared by binding charged porphyrins TMPyP (tetrakis-(4-N-methylpyridyl)porphyrin) and TPPS (tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin) to copolymers of HEMA (2-hydroxyethyl methacrylate) with either MAA (methacrylic acid) or DEAEMA (2-(diethylamino)ethylmethacrylate). The charged hydrogels display strong electrostatic interactions with the appropriate cationic or anionic porphyrins to give materials which are intended to be used to generate cytotoxic singlet oxygen (1O2) on photoexcitation and can therefore be used to reduce postoperative infection of the intraocular hydrogel-based replacement lenses that are used in cataract surgery. The UV/vis spectra of TMPyP in MAA:HEMA copolymers showed a small shift in the Soret band and a change from single exponential (161 ���­s) triplet decay lifetime in solution to a decay that could be fitted to a biexponential fit with two approximately equal components with ���´ ) 350 and 1300 ���­s. O2 bubbling reduced the decay to a dominant (90%) component with a much reduced lifetime of 3 ���­s and a minor, longer lived (20 ���­s) component. With D2O solvent the 1O2 lifetime was measured by 1270 nm fluorescence as 35 ���­s in MAA:HEMA, compared to 67 ���­s in solution, although absorbance-matched samples showed similar yield of 1O2 in the polymers and in aqueous solution. In contrast to the minor perturbation in photophysical properties caused by binding TMPyP to MAA:HEMA, TPPS binding to DEAEMA:HEMA copolymers profoundly changed the 1O2 generating ability of the TPPS. In N2-bubbled samples, the polymer-bound TPPS behaved in a similar manner to TMPyP in its copolymer host; however, O2 bubbling had only a very small effect on the triplet lifetime and no 1O2 generation could be detected. The difference in behavior may be linked to differences in binding in the two systems. With TMPyP in MAA:HEMA, confocal fluorescence microscopy showed significant penetration of the porphyrin into the core of the polymer film samples (>150 ���­m). However, for TPPS in DEAEMA:HEMA copolymers, although the porphyrin bound much more readily to the polymer, it remained localized in the first 20 ���­m, even in heavily loaded samples. It is possible that the resulting high concentration of TPPS may have cross-linked the hydrogels to such an extent that it significantly reduced the solubility and/or diffusion rate of oxygen into the doped polymers. This effect is significant since it demonstrates that even simple electrostatic binding of charged porphyrins to hydrogels can have an unexpectedly large effect on the properties of the system as a whole. In this case it makes the apparently promising TPPS/DEAEMA:HEMA system a poor candidate for clinical application as a postoperative antibacterial treatment for intraocular lenses while the apparently equivalent cationic system TMPyP/MAA:HEMA displays all the required properties.

Surface localisation of photosensitisers on intraocular lens biomaterials for prevention of infectious endophthalmitis and retinal protection

Cataract surgery is one of the most commonly-practiced surgical procedures in Western medicine, and, while complications are rare, the most serious is infectious postoperative endophthalmitis. Bacteria may adhere to the implanted intraocular lens (IOL) and subsequent biofilm formation can lead to a chronic, difficult to treat infection. To date, no method to reduce the incidence of infectious endophthalmitis through bacterial elimination, while retaining optical transparency, has been reported. In this study we report a method to optimise the localisation of a cationic porphyrin at the surface of suitable acrylate copolymers, which is the first point of contact with potential pathogens. The porphyrin catalytically generates short-lived singlet oxygen, in the presence of visible light, which kills adherent bacteria indiscriminately. By restricting the photosensitiser to the surface of the biomaterial, reduction in optical transparency is minimised without affecting efficacy of singlet oxygen production. Hydrogel IOL biomaterials incorporating either methacrylic acid (MAA) or methyl methacrylate (MMA) co-monomers allow tuning of the hydrophobic and anionic properties to optimise the localisation of porphyrin. Physiochemical and antimicrobial properties of the materials have been characterised, giving candidate materials with self-generating, persistent anti-infective character against Gram-positive and Gram-negative organisms. Importantly, incorporation of porphyrin can also serve to protect the retina by filtering damaging shortwave visible light, due to the Soret absorption (?max) 430 nm). © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The Involvement of Phycocyanin Pigment in the Photodecomposition of the Cyanobacterial Toxin, Microcystin-LR

While investigating the destruction of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin-LR in the presence of phycocyanin pigment via semiconductor photocatalysis, it became apparent that the pigment was catalysing the toxin decomposition. The mechanism of this process in terms of phycocyanin acting as a photo-oxygenation sensitizer via singlet oxygen and superoxide attack is explored. The absorption and fluorescence spectra of phycocyanin have been obtained and data on the properties of the excited state calculated. The established photo-oxygenation sensitizer rose bengal was also used as a catalyst for the photolytic decomposition of microcystin-LR to help elucidate the decomposition mechanism. 

Síntese de derivados oligoméricos de porfirinas e ftalocianinas

A presente dissertação contempla estudos de funcionalização de 5,10,15,20- tetrafenilporfirina via grupos nitro e amino e a preparação de sistemas porfirina-ftalocianina. Este trabalho encontra-se dividido em quatro partes. Na primeira parte descrevem-se as características gerais de porfirinas e ftalocianinas bem como algumas metodologias de síntese utilizadas na sua preparação e suas potenciais aplicações. Na segunda parte desta dissertação descreve-se a funcionalização de 5,10,15,20-tetrafenilporfirina com arilaminas recorrendo a duas rotas sintéticas diferentes. A reacção de 2-nitro-5,10,15,20-tetrafenilporfirina com anilina ou aminas aromáticas substituídas com grupos dadores de electrões permitiu, através do ataque do nucleófilo ao carbono beta-pirrólico onde está ligado o grupo nitro, ataque ipso, a obtenção de derivados do tipo 2-arilaminoporfirinas e derivados porfirínicos de anéis fundidos, sendo estes últimos resultantes da ciclização oxidativa de 2-arilaminoporfirinas. A reacção entre (2-amino- 5,10,15,20-tetrafenilporfirinato)níquel(II) e brometos de arilo na presença de paládio, reacção de aminação de Buchwald-Hartwig, permitiu, após descomplexação, a preparação de novos derivados do tipo 2- arilaminoporfirinas com grupos substituintes dadores e aceitadores de electrões. Um dos derivados porfirínicos de anéis fundidos foi submetido a reacção de complexação com diferentes iões metálicos e foram estudadas as respectivas propriedades fotoquímicas e electroquímicas. Esses estudos revelaram que estes compostos são bons geradores de oxigénio singuleto e que sofrem processos de oxidação-redução electroquimicamente reversíveis. Esta metodologia foi estendida ainda a brometos de hetarilo (derivados de piridina e tiofeno). Recorrendo ao acoplamento, em condições de Buchwald-Hartwig, de complexos metálicos da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina, funcionalizados com grupos amino e bromo, preparam-se dímeros porfirina-amino-porfirina, cujos espectros electrónicos revelam a existência de uma boa “comunicação electrónica” entre as duas subunidades. A terceira parte descreve a síntese de sistemas porfirina-ftalocianina. Recorrendo à condensação estatística entre a 5,10,15,20-tetrafenilporfirina substituída com um grupo ftalonitrilo na posição beta-pirrólica com ftalonitrilo ou ftalonitrilo substituído foram obtidas díades porfirina-ftalocianina onde as duas subunidades se encontram directamente ligadas ou fundidas. Os porfirinilftalonitrilos necessários para a síntese das diferentes díades foram preparados através da reacção de adição do fumaronitrilo à 5,10,15,20- tetrafenilporfirina funcionalizada com o grupo 1,3-butadienilo ou vinilo, seguida de oxidação do aducto resultante. O acoplamento catalisado por paládio entre (2-bromo-5,10,15,20- tetrafenilporfirinato)zinco(II) e [9(10),16(17),23(24)-tri-terc-butil-2- etinilftalocianinato]zinco(II) permitiu a síntese de uma díade porfirinaftalocianina com as duas unidades ligadas por um grupo etinilo. Uma pentíade porfirina-ftalocianina foi obtida através da ciclotetramerização de um dos porfirinilftalonitrilos. A comparação dos espectros electrónicos das diferentes classes de sistemas revela que as correspondentes propriedades electrónicas são altamente afectadas pela distância entre as subunidades e também pelo número de cromóforos presentes no sistema. Os estudos fotofísicos de alguns dos novos compostos acima referidos permitiram verificar a ocorrência eficiente de transferência de energia da subunidade porfirínica para a da ftalocianina, capacidade essa que permitirá a estes sistemas serem usados para modelar o processo fotossintético. Na última parte descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efectuadas e as caracterizações espectroscópicas, nomeadamente de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrometria de massa e espectrofotometria de UV-vis, dos compostos sintetizados. Nalguns casos recorreu-se ainda a técnicas de RMN bidimensionais como COSY, HSQC, HMBC, NOESY e ROESY.

Phthalocyanine-based systems: synthesis, properties and applications

A presente dissertação descreve a síntese e o estudo de propriedades fotofísicas e biológicas de sistemas baseados em ftalocianinas. Os sistemas sintetizados consistem em ftalocianinas contendo unidades de D-galactose, ciclodextrinas, [60]fulereno ou porfirinas. Na primeira parte da dissertação aborda-se a síntese de ftalocianinas substituídas com unidades de D-galactose, com o intuito de serem utilizadas como fotossensibilizadores em terapia fotodinâmica. A eficiência de geração de oxigénio singuleto induzida pelas glicoftalocianinas, bem como a sua actividade fotodinâmica in vitro em células HeLa são avaliadas. Adicionalmente são descritos os estudos de MALDI-MS/MS de dois pares de glicoftalocianinas isoméricas. Numa segunda parte, descrevem-se a síntese e a caracterização de sistemas supramoleculares de ftalocianinas ligadas a ciclodextrinas ou [60]fulereno. Foram desenvolvidas metodologias sintéticas para obter complexos ftalocianínicos de ruténio(II) substituídos axialmente com derivados de ciclodextrinas, e complexos ftalocianínicos de zinco(II) ligados covalentemente a ciclodextrinas. Descreve-se também a síntese de uma díade ftalocianina- [60]fulereno. A estratégia sintética envolve um peculiar primeiro passo, uma reacção de aminação redutiva, no qual se obtém uma ftalocianina funcionalizada com glicina, seguida da habitual reacção de cicloadição 1,3- dipolar. Na terceira parte, abordam-se sistemas dador-aceitador de díades porfirinaftalocianina, como modelos promissores para mimetizar sistemas fotossintéticos naturais. Diferentes tipos de díades porfirina-ftalocianina, ligadas através do grupo fenilo da posição meso ou da posição β-pirrólica da porfirina, são sintetizadas e caracterizadas. As abordagens sintéticas envolvem reacções de aminação catalisadas por paládio e reacções de condensação cruzada de dois ftalonitrilos adequadamente substituídos. Também se descrevem processos de transferência de energia e electrónica fotoinduzidos que se formam a partir das díades porfirina-ftalocianina.

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 reatividade de benzo-e pirroloporfirinas

O trabalho descrito nesta dissertação envolve estudos de funcionalização de uma pirrolo[3,4-b]porfirina através de reações do tipo cicloadição [4+2]. A metodologia de cicloadição usada permitiu sintetizar duas grandes famílias de compostos: benzoporfirinas e 1,3-dioxopirroloporfirinas. Este documento é composto por três partes distintas. Na primeira parte são tecidas considerações gerais sobre síntese, propriedades e aplicações de porfirinas. Na segunda parte é apresentado o trabalho desenvolvido no âmbito de síntese e reatividade de benzoporfirinas. Numa primeira fase é feita uma revisão bibliográfica sobre síntese de benzoporfirinas e ftalimidas, uma vez que o trabalho prático descrito apresenta compostos contendo estas duas unidades estruturais. Numa segunda fase é descrito o trabalho desenvolvido para a obtenção de uma benzoporfirina derivatizada com uma unidade de ácido ftálico fundida em posições β-pirrólicas, partindo da reação de Diels-Alder entre uma N-metilpirrolo[3,4- b]porfirina e o acetilenodicarboxilato de dimetilo e posterior hidrólise básica do diéster obtido. Seguem-se os estudos que visaram a obtenção de um anidrido porfirínico a partir do ácido ftálico anterior. Esta plataforma sintética foi usada para diversas transformações com diferentes aminas. Destas reações resultaram diferentes unidades benzoporfirínicas, que serão descritas em pormenor. Face às distintas cores apresentadas pelos diferentes compostos sintetizados, foi ainda feita uma análise pormenorizada dos espectros de UV-vis de alguns dos compostos obtidos. Na terceira parte, é apresentado o trabalho realizado no âmbito da síntese de uma 1,3-dioxopirroloporfirina, partindo da reação de Diels-Alder entre a N-metilpirrolo[ 3,4-b]porfirina e oxigénio singleto (1O2). Primeiramente é feita uma revisão bibliográfica sobre o papel do 1O2 em síntese orgânica e sobre reações de oxidação de isoindóis, compostos possuindo uma analogia estrutural com pirroloporfirinas. Segue-se a descrição da síntese de uma N-metil1,3- dioxopirroloporfirina, em que se começa por apresentar a descrição sistemática de todas as experiências levadas a cabo no sentido de otimizar o rendimento do composto em questão, tirando partido da reação com 1O2. Seguidamente expõemse as diferentes abordagens conduzidas para proceder à funcionalização da 1,3- dioxopirroloporfirina obtida. São apresentadas reações de hidrólise e reações com diferentes aminas. As reações com aminas conduziram à formação de porfirina- 2,3-dicarboxamidas e posteriormente às 1,3-dioxopirroloporfirinas correspondentes. Também neste caso foi feita uma análise pormenorizada dos espectros de UV-vis da marioria dos derivados obtidos. De forma a avaliar a potencialidade de alguns dos macrociclos sintetizados em terapia fotodinâmica (PDT), são apresentados os ensaios biológicos de PDT in vitro conduzidos com alguns dos macrociclos sintetizados. Estes ensaios envolveram a avaliação da viabilidade celular após tratamento fotodinâmico, estudos de localização celular e morfologia.

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).

Photoinactivation of viruses by porphyrins

A inativação fotodinâmica tem sido usada com sucesso na inativação de microorganismos. Diversos aspetos da inativação fotodinâmica foram já estudados para diferentes microrganismos, contudo, existe ainda pouca informação disponível no que diz respeito à inativação de bacteriófagos por processos fotodinâmicos. Este trabalho pretendeu elucidar e avaliar vários aspetos da fotoinativação de vírus, em particular de bacteriófagos, incluindo (i) o efeito de diversos parâmetros de luz utilizados na fotoinativação de bacteriófagos; (ii) a eficiência da inativação fotodinâmica de diferentes tipos de bacteriófagos (fagos do tipo DNA e RNA); (iii) o principal mecanismo através do qual a inativação fotodinâmica tem lugar; (iv) o efeito da fotoinativação nas proteínas do bacteriófago; e (v) o possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após vários tratamentos fotodinâmicos consecutivos. Para avaliar o efeito dos diferentes parâmetros de luz, suspensões fágicas com 107 UFP mL-1 foram irradiadas com diferentes fontes e doses de luz, intensidades luminosas e tempos de irradiação (30,90 e 270 min) na presença de 0,5; 1,0 e 5,0 μM dos derivados porfirínicos catiónicos Tri- Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me. A eficiência da fotoinativação de diferentes fagos do tipo DNA e RNA, foi avaliada através da irradiação da suspensão fágica com luz branca (40 W m-2) durante 270 min na presença de 0,5 e 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF, respetivamente para os fagos do tipo RNA e DNA. O mecanismo através do qual a fotoinativação de fagos de DNA (fago do tipo T4) e de RNA (fago Qb) tem lugar foi avaliado por exposição da suspensão fágica à luz branca com uma potência de 40 W m-2, na presença de fotossensibilizador (Tri-Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me) e inibidores, quer do oxigénio singuleto (azida de sódio e L-histidina) quer de radicais livres (Dmanitol e L-cisteína). Os danos nas proteínas do fago do tipo T4, induzidos pelas espécies reativas de oxigénio geradas por 5,0 μM Tri-Py+-Me-PF, foram avaliados pelo método convencional de SDS-PAGE e por espectroscopia de infravermelho. O possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após a inativação fotodinâmica dos bacteriófagos foi avaliado após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico incompletos (120 min sob irradiação de luz branca a uma potência de 40 W m-2) na presença de 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF. Os resultados deste trabalho mostraram que (i) quando uma quantidade de energia (dose de luz) determinada foi aplicada numa suspensão fágica, a partir de uma mesma fonte irradiação, a fotoinactivação do fago foi tanto mais eficiente quanto mais baixa foi a potência luminosa aplicada; (ii) os bacteriófagos foram eficientemente inativados até ao limite de deteção (redução de 6-7 log); (ii) os fagos do tipo RNA foram inativados mais facilmente do que os fagos do tipo DNA (tempos de exposição mais curtos e com concentração de fotossensibilizador dez vezes menor do que a usada para inativar os fagos do tipo DNA); (iii) o mecanismo do tipo II (via produção de oxigénio singuleto) foi o principal mecanismo através do qual a fotoinativação dos bacteriófagos teve lugar; (iv) foi possível detectar danos no perfil proteico após tratamento fotodinâmico e a espectroscopia de infravermelho apresentou-se como uma metodologia promissora de screening para avaliação dos danos induzidos pela inativação fotodinâmica em proteínas; e (v) após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico, o fago do tipo T4 não revelou nenhum tipo de resistência ao tratamento fotodinâmico nem recuperou a sua viabilidade. Como conclusão, a inativação fotodinâmica microbiana é uma tecnologia bastante eficaz para a fotoinativação de bacteriófagos do tipo DNA e RNA sem invólucro, a qual pode ser considerada como uma alternativa ao tratamento convencional com agentes antivíricos, mesmo com intensidades luminosas baixas, sem o risco associado de desenvolvimento de mecanismos de resistência.

Investigation of the Photodynamic Effects of Curcumin Against Candida albicans

This study describes the association of curcumin with light emitting diode (LED) for the inactivation of Candida albicans. Suspensions of Candida were treated with nine curcumin concentrations and exposed to LED at different fluences. The protocol that showed the best outcomes for Candida inactivation was selected to evaluate the effect of the preirradiation time (PIT) on photodynamic therapy (PDT) effectiveness, the uptake of curcumin by C. albicans cells and the possible involvement of singlet oxygen in the photodynamic action. Curcumin-mediated PDT was also assessed against biofilms. In addition to the microbiological experiments, similar protocols were tested on a macrophage cell line and the effect was evaluated by Methyltetrazolium assay (MTT) and SEM analysis. The optical properties of curcumin were investigated as a function of illumination fluence. When compared with the control group, a statistically significant reduction in C. albicans viability was observed after PDT (P < 0.05), for both planktonic and biofilm cultures. Photodynamic effect was greatly increased with the presence of curcumin in the surrounding media and the PIT of 20 min improved PDT effectiveness against biofilms. Although PDT was phototoxic to macrophages, the therapy was more effective in inactivating the yeast cell than the defense cell. The spectral changes showed a high photobleaching rate of curcumin.

Influence of pH on the phototransformation process of PhotogemA (R)

PhotogemA (R) is a hematoporphyrin derivative that has been used as a photosensitizer in experimental and clinical Photodynamic Therapy (PDT) in Brazil. Photosensitizers are degraded under illumination. This process, usually called photobleaching, can be monitored by decreasing in fluorescence intensities and includes the following photoprocesses: photodegradation, phototransformation, and photorelocalization. Photobleaching of hematoporphyrin-type sensitizers during illumination in aqueous solution is related not only to photodegradation but is also followed by the formation of photoproducts with a new fluorescence band at around 640-650 nm and with increased light absorption in the red spectral region at 640 nm. In this study, the influence of pH on the phototransformation process was investigated. PhotogemA (R) solutions, 40 mu g/ml, were irradiated at 514 nm with intensity of 100 mW/cm(2) for 20 min with different pH environments. The controls were performed with the samples in the absence of light. The PhotogemA (R) photodegradation is dependent on the pH. The behavior of photodegradation and photoproducts formation (monitored at 640 nm) is distinct and depends on the photosensitizer concentration. The processes of degradation and photoproducts formation were monitored with Photogemin the concentration of 40 mu g/mL since that demonstrated the best visualization of both processes. While below pH 5 the photodegradation occurred, there was no detectable presence of photoproducts. The increase of pH led to increase of photoproducts formation rate with photodegradation reaching the highest value at pH 10. The increase of photoproducts formation and instability of PhotogemA (R) from pH 6 to pH 10 are in agreement with the desired properties of an ideal photosensitizer since there are significant differences in pH between normal (7.0 < pH < 8.6) and tumor (5.8 < pH < 7.9) tissues. It is important to know the effect of pH in the process of phototransformation (degradation and photoproduct formation) of the molecule since low pH values promotes increase in the proportion of aggregates species in solution and high pH values promotes increase in the proportion of monomeric species. There must be an ideal pH interval which favors the phototransformation process that is correlated with the singlet oxygen formation responsible by the photodynamic effect. These differences in pH between normal and tumor cells can explain the presence of photosensitizers in target tumor cells, making PDT a selective therapy.

A combination of techniques to evaluate photodynamic efficiency of photosensitizers

Photodynamic therapy, used mainly for cancer treatment and microorganisms inaction, is based on production of reactive oxygen species by light irradiation of a sensitizer. Hematoporphyrin derivatives as Photofrin (R) (PF) Photogem (R) (PG) and Photosan (R) (PF), and chlorin-c6-derivatives as Photodithazine (R)(PZ), have suitable sensitizing properties. The present study provides a way to make a fast previous evaluation of photosensitizers efficacy by a combination of techniques: a) use of brovine serum albumin and uric acid as chemical dosimeters; b) photo-hemolysis of red blood cells used as a cell membrane interaction model, and c) octanol/phosphate buffer partition to assess the relative lipophilicity of the compounds. The results suggest the photodynamic efficient rankings PZ > PG >= PF > PS. These results agree with the cytotoxicity of the photosensitizers as well as to chromatographic separation of the HpDs, both performed in our group, showing that the more lipophilic is the dye, the more acute is the damage to the RBC membrane and the oxidation of indol, which is immersed in the hydrophobic region of albumin.

Photostability of different chlorine photosensitizers

In this paper, we report the photodegradation of three different chlorine photosensitizers (Photoditazine (R), Radachlorin (R), and Foscan (R)). The photosensitizer degradation was analyzed by changes in the fluorescence spectrum during illumination. The rate of fluorescence variation was normalized to the solution absorption and the photon energy resulting in the determination of the necessary number of photons to be absorbed to induce photosensitizer photodegradation. The parameter for rate of the molecules decay, the photon fluence rate and optical properties of the solution allow us to determine the photosensitizer stability in solution during illumination. The results show that the order of susceptibility for photodegradation rate is: Radachlorin (R) < Photoditazine (R) < Foscan (R). This difference in the photodegradation rate for Foscan can be explained by the high proportion of aggregates in solution that inhibit the photo-oxidative process that impede the singlet oxygen formation. We hypothesize that there is a correlation between photodegradation rate and photodynamic efficacy witch is governed by the singlet oxygen formation responsible for the most relevant reaction of the cell death photodynamic induction. Then its is important to know the photostability of different types of drugs since the photodegradation rate, the photodegradation as well as the photodynamic efficacy are strong correlated to the oxygen concentration in the tissue.

Superoxide radical protects liposome-contained cytochrome c against oxidative damage promoted by peroxynitrite and free radicals

The effects of nitrosative species on cyt c structure and peroxidase activity were investigated here in the presence of O(2)(center dot-) and anionic and zwitterionic vesicles. Nitrosative species were generated by 3-morpholinesydnonymine (SIN1) decomposition, using cyt c heme iron and/or molecular oxygen as electron acceptor. Far-and near-UV CD spectra of SIN1-treated cyt c revealed respectively a slight decrease of a-helix content (from 39 to 34%) and changes in the tryptophan structure accompanied by increased fluorescence. The Soret CD spectra displayed a significant decrease of the positive signal at 403 nm. EPR spectra revealed the presence of a low-spin cyt c form (S = 1/2) with g(1) = 2.736, g(2) = 2.465, and g(3) = 2.058 after incubation with SIN1. These data suggest that the concomitant presence of NO(center dot) and O(2)(center dot-) generated from dissolved oxygen, in a system containing cyt c and liposomes, promotes chemical and conformational modi. cations in cyt c, resulting in a hypothetical bis-histidine hexacoordinated heme iron. We also show that, paradoxically, O(2)(center dot-) prevents not only membrane lipoperoxidation by peroxide-derived radicals but also oxidation of cyt c itself due to the ability of O(2)(center dot-) to reduce heme iron. Finally, lipoperoxidation measurements showed that, although it is a more efficient peroxidase, SIN1-treated cyt c is not more effective than native cyt c in promoting damage to anionic liposomes in the presence of tert-ButylOOH, probably due to loss of affinity with negatively charged lipids. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Biflavonoids from Araucaria angustifolia protect against DNA UV-Induced damage

Ultraviolet radiation is one of the most deleterious forms of radiation to terrestrial organisms and is involved in formation of mutagenic pyrimidine dimers and oxidized nucleotides. The biflavonoid fraction (BFF), extracted from needles of Araucaria angustifolia was capable of protecting calf thymus DNA from damage induced by UV radiation. This occurred through prevention of cyclobutane thymine dimer and 8-oxo-7,8-dihydro-2`-deoxyguanosine formation, this being quantified by high-performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS) in a multiple reaction monitoring mode (MRM) and by HPLC-coulometric detection, respectively. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.