Artificial and Natural Photosensitizers in Photodynamic Therapy: Expanded Porphycene Conjugates and Hypericin
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Artificial and natural photosensitizers in Photodynamic Therapy: Expanded porphycene conjugates and hypericin Cormac Elías Hally Garcia http://hdl.handle.net/10803/669899 Rgtre. Fund. Generalitat de Catalunya núm. 472 (28-02-90) ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intelꞏlectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. ADVERTENCIA. El acceso a los contenidos de esta tesis doctoral y su utilización debe respetar los derechos de la persona autora. Puede ser utilizada para consulta o estudio personal, así como en actividades o materiales de investigación y docencia en los términos establecidos en el art. 32 del Texto Refundido de la Ley de Propiedad Intelectual (RDL 1/1996). Para otros usos se requiere la autorización previa y expresa de la persona autora. En cualquier caso, en la utilización de sus contenidos se deberá indicar de forma clara el nombre y apellidos de la persona autora y el título de la tesis doctoral. No se autoriza su reproducción u otras C.I.F. G: 59069740 Universitat Ramon Llull Fundació formas de explotación efectuadas con fines lucrativos ni su comunicación pública desde un sitio ajeno al servicio TDR. Tampoco se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al contenido de la tesis como a sus resúmenes e índices. WARNING . The access to the contents of this doctoral thesis and its use must respect the rights of the author. It can be used for reference or private study, as well as research and learning activities or materials in the terms established by the 32nd article of the Spanish Consolidated Copyright Act (RDL 1/1996). Express and previous authorization of the author is required for any other uses. In any case, when using its content, full name of the author and title of the thesis must be clearly indicated. Reproduction or other forms of for profit use or public communication from outside TDX service is not allowed. Presentation of its content in a window or frame external to TDX (framing) is not authorized either. These rights affect both the content of the thesis and its abstracts and indexes. C. Claravall, 1-3 | 08022 Barcelona | Tel. 93 602 22 00 | Fax 93 602 22 49 | [email protected] | www.url.edu 90) - 02 - DOCTORAL THESIS Generalitat de Catalunya núm. 472 (28 472 núm. Catalunya de Generalitat Title Artificial and natural photosensitizers in Photodynamic Therapy: Expanded porphycene conjugates and hypericin Rgtre. Fund. Rgtre. Fundació Fundació l ul Presented by Cormac Elías Hally Garcia Centre IQS School of Engineering Universitat Ramon Ll Ramon Universitat Department Analytical and Applied Chemistry G: 59069740 59069740 G: . C.I.F Directed by Prof. Dr. Santi Nonell Marrugat Prof. Dr. Cristiano Viappiani C. Claravall, 1-3 | 08022 Barcelona | Tel. 93 602 22 00 | Fax 93 602 22 49 | [email protected] | www.url.edu UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMA DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA CICLO XXXIII in CO-TUTELA con UNIVERSITAT RAMON LLULL ARTIFICIAL AND NATURAL PHOTOSENSITIZERS IN PHOTODYNAMIC THERAPY: EXPANDED PORPHYCENE CONJUGATES AND HYPERICIN Coordinatore: Chiar.mo Prof. Stefano Carretta Tutore: Chiar.mo Prof. Cristiano Viappiani Chiar.mo Prof. Santi Nonell Marrugat Dottorando: Cormac Elías Hally Garcia Anni 2017/2020 A la meva família, Al Pol, Agraïments Primerament voldria agrair al Dr. Santi Nonell, a Barcelona, i al Dr. Cristiano Viappiani, a Parma, per acompanyar-me en el llarg camí que és una tesi doctoral. Segurament en una tesi doctoral un sap com hi entra, però poques vegades sap com en sortirà. Al final és la ciència que va marcant el pas i el camí a seguir. Gràcies per totes les explicacions en el laboratori, les discussions sobre ciència, els viatges i congressos i en definitiva, el dia a dia d’un doctorat en co-tutela. Vull donar un sentit agraïment a la Dra. Montserrat Agut pel suport microbiològic de la tesi, però sobretot totes les estones compartides i de suport durant aquests anys. Als FotoQs actuals, Mireia, Elena, Jaume pels riures i drames al laboratori i escapades fora de IQS. Als FotoQs “vells”, que em van introduir a la Fotoquímica, Oriol, Bea, Joaquim, Roger i Íngrid ja tots doctors. Als FotoQs itinerants, Miguel Ángel i Matias. Als companys de sala, Eli, Raul i Ángel. I finalment al incombustible Òscar del lab de microbiologia. A tutti i amici di Parma, specialmente a Stefania. Anche a Chiara, Eleonora, Ludovica, Lucrezia, Andrea, Anjali, Víctor e Michele. A la família pel suport durant tots els anys al Químic I al Pol, que tot i estar a distància, ha estat allà sempre de forma incondicional. Senza tutti voi questa tesi non sarebbe stata possibile! Finalment vull agrair als Fons Socials Europeus i a la Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya per els ajuts de contractació que m’han permès realitzar aquesta tesi (2017 FI_B00617, 2018 FI_B1 00174 i 2019 FI_B2 00167), així com també al finançament del Ministerio de Asuntos Económicos y Transformación Digital (MINECO; CTQ2016-78454-C2-1-R) i a IQS School of Engineering. Abstract This thesis reports the study of antimicrobial and antineoplastic applications of novel 2-aminothiazolo porphycene conjugates and Hypericin in Photodynamic therapy (PDT), while aiming to understand their mechanism of action. The conjugation of 9-isothiocyanate-2,7,12,17-methoxyethylporphycene to two hydrophilic entities, gentamicin as an antibiotic and triphenylphosphonium as a lipophilic cation, rendered amphiphilic compounds with high biological activity against microorganisms and HeLa cells. The conjugates presented dual aromatic systems, highly absorbing in the deep red with high singlet oxygen yields. Their fluorescence, despite being dim, was still exploited in applications such as confocal microscopy and even stimulated emission depletion super-resolution microscopy (STED). The Gentamicin conjugate was able to inactivate S. aureus, E. coli and C. albicans in the submicromolar range, but lacking the intended selectivity since it also inactivates cancer cells. The conjugate endowed with the Triphenylphosphonium cation presented less activity against microorganisms than the previous conjugate, but higher for cancer PDT due to the partial subcellular localization guidance towards mitochondria. Hypericin, on the other hand, is a powerful and well-known naturally occurring photosensitizer which is costly to both purify from a plant extract or chemically synthesized. In this regard, a non-purified lyophilized hydroalcoholic H. perforatum extract was compared with pure hypericin, observing how its photophysical properties are not quenched by other compounds in the extract and that its antimicrobial activity against S. aureus was preserved. Continuing with Hypericin, retinoic acid was incorporated into the previously reported -lactoglobulin-Hypericin complex in order to test its antimicrobial in vitro potential. Despite being a singlet oxygen quencher, this addition did not affect the Hypericin’s performance against S. aureus, proving its potential as a double payload vehicle when treating acne vulgaris: Hypericin to treat infections and the retinoid to calm inflammation. Astratto Questa tesi riguarda lo studio di applicazioni antimicrobiche e antineoplastiche di nuovi coniugati di 2-aminotiazoloporficeno e dell’Ipericina nella terapia fotodinamica (TFD), con l'obiettivo di comprendere il loro meccanismo d'azione. La coniugazione del 9-isotiocianato-2,7,12,17-metossietilporficeno in due entitá idrofiliche, con gentamicina come antibiotico e trifenilfosfonio come catione lipofilo, ha reso composti anfifilici con elevata attività biologica contro i microrganismi e le cellule HeLa. I coniugati presentavano sistemi aromatici doppi, altamente assorbenti nel rosso lontano con una alta resa di ossigeno singoletto. La loro fluorescenza, nonostante fosse debole, è stata tuttavia utilizzata in applicazioni come la Microscopia Confocale e persino nella Microscopia di svuotamento dell'emissione stimolata (STED). Il coniugato di gentamicina è stato in grado di inattivare S. aureus, E. coli e C. albicans nell’intervallo di concentrazioni del submicromolare, ma si è rivelato carente nella selettività voluta poiché inattiva anche le cellule tumorali. Il coniugato fornito del catione trifenilfosfonio presentava minor attività contro i microrganismi rispetto al coniugato precedente, ma un’attivitá maggiore contro il cancro a causa del parziale indirizzamento con localizzazione subcellulare nei i mitocondri. L'ipericina, d'altra parte, è un ben noto fotosensibilizzatore naturale e potente, costoso sia se ottenuto per purificazione da un estratto di piante, sia se sintetizzato chimicamente. A