Photoresponsive antiobiotics and cytotoxic agents

W niniejszej pracy opisane są badania ukierunkowane na zastosowanie światła w połączeniu z nowo zaprojektowanymi związkami czułymi na światło. Celem syntezy tych związków jest przeciwdziałanie oporności bakteryjnej i efektom ubocznym chemoterapii oraz uzyskanie nowych, indukowanych światłem sond fluorescencyjnych do wizualizacji stresu oksydacyjnego, który często łączony jest z negatywnymi zmianami w homeostazie komórek. Rozdział 1 skoncentrowany jest na tematyce zastosowania światła w biologii. Po krótkim wstępie dotyczącym właściwości i roli światła w procesach biologicznych, opisane są trzy główne grupy związków odpowiednich do tego typu zastosowań. Sondy fluorescencyjne znalazły zastosowanie w obrazowaniu procesów istotnych biologicznie w komórkach. Składają się one z fluorofora, którego właściwości zmieniają się w zależności od stanu związanego z nim receptora, który ma za zadanie selektywnie wiązać się z określonymi molekułami. Sondy fluorescencyjne zdolne do rozpoznawania komórek nowotworowych prawdopodobnie uratowały już wiele istnień, oferując znaczną pomoc chirurgom w wykrywaniu zmian nowotworowych niewidocznych dla ludzkiego oka. Grupy fotozabezpieczające oraz przełączniki molekularne, mimo różnic w mechanizmie działania, zostały z powodzeniem zastosowane jako ugrupowania do modyfikacji leków, zapewniając im fotoczułość. Tego typu związki pozwalają na kontrolę aktywności leków przez światło i wykazują potencjał przeciwdziałania oporności bakteryjnej, zapewniając warunki bezpiecznego przechowywania (w nieaktywnej formie) oraz możliwość ich aktywacji w wybranym miejscu działania. Ta właściwość jest szczególnie ważna przy ograniczaniu efektów ubocznych związanych z użyciem antybiotyków, jak i chemioterapeutyków na zdrowe tkanki. Pomimo, iż wiele związków mogących spełniać to kryterium zostało już opisane w literaturze, niestety żaden z nich nie przekroczył etapu „proof of concept”. Ostatnia sekcja wstępu traktuje o pozostałych wyzwaniach i przydatności badań opisanych w tej pracy do ich rozwiązania. W rozdziale drugim został opisany protokół łatwego otrzymywania grup fotozabezpieczających dla amin opartych na ugrupowaniu BODIPY. Związki te zostały zaprojektowane jako narzędzia do dalszego rozwoju syntezy fotoczułych leków oraz dróg ich otrzymywania, a także stanowią podstawę, na bazie której przeprowadzona została reszta badań opisanych w tej pracy. Otrzymane związki, zawierające ugrupowanie karbaminianowe pomiędzy chromoforem, a modelowymi aminami zostały naświetlone zielonym światłem (λmax = 520 nm). Opisany został również proces ich fotoodbezpieczania w środowisku wodnym. Okazało się, że wspomniane grupy fotozabezpieczające mogły zostać usunięte w przeciągu 10 minut od początku naświetlania prowadząc do powstania pożądanych amin. Nie zauważono żadnej znaczącej degradacji opisywanych związków podczas przechowywania ich bez dostępu światła przez 24 godziny. Rozdział 3 jest kontynuacją rozdziału 2. Otrzymane związki są analogiczną serią grup fotozabezpieczających, bazujących na ugrupowaniu BODIPY do zabezpieczania amin, które mogą być odbezpieczane światłem czerwonym, wchodzącym w zakres tzw. „okna terapeutycznego” (λmax = 650 nm). Badania nad procesem fotoodbezpieczania po raz kolejny wykazały szybkie i przebiegające bez powstawania produktów ubocznych reakcje zabezpieczonych amin ze światłem widzialnym oraz brak znaczącej degradacji w środowisku wodnym przed 24 godziny przechowywania bez dostępu światła. Najbardziej „obiecująca” spośród otrzymanych grupa zabezpieczająca została użyta do zabezpieczenia dopaminy, neurotransmitera i leku nasercowego. Badania biologiczne nad tym związkiem są prowadzone przez grupę prof. Petera van der Meer (UMCG). W rozdziale 4 opisane zostały próby wykorzystania reakcji multikomponentowych (MCR) do syntezy związków zabezpieczonych grupami fotozabezpieczającymi BODIPY. Celem badań zawartych w tym rozdziale była rozszerzenie zasosowań protokołu syntezy tego typu związków, ułatwiając budowanie bibliotek w celu uniknięcia wykonywania dodatkowej optymalizacji dla każdego z substratów z osobna, jak to miało miejsce w rozdziałach 2 i 3. Wybrana MCR, reakcja Passeriniego, pozwala na otrzymanie pożądanych związków ze średnimi lub dobrymi wydajnościami (<40%). Badania indukowanego światłem odbezpieczania (uwolnienia) transportowanego leku (tzw. cargo) związanego z nośnikiem podczas MCR wykazały, że czasy potrzebne do pełnego odbezpieczania są stosunkowo długie (godzina lub dłużej). Badania te pokazują, że zgodnie z przewidywaniami, MCR są potężnym narzędziem do budowania bibliotek związków zabezpieczonych grupami fotozabezpieczającymi, ale dobór odpowiednich substratów jest problemem, który wymaga przeprowadzenia dalszych badań, zanim opisywana metoda będzie w pełni użyteczna. Rozdział 5 zawiera praktyczne przykłady użyteczności grup fotozabezpieczających do przeciwdziałania oporności bakteryjnej oraz skutkom ubocznym chemioterapii. W pierwszej części rozdziału opisane są przeprowadzone przez nas próby otrzymania fotoodbezpieczalnych pochodnych Mitomycyny C, znanego chemioterapeutyku i antybiotyku. Mimo, iż synteza pożądanych związków została zwieńczona sukcesem, ich naświetlanie (światłem o λmax = 365, 523 lub 650 nm) nie powodowało uwalniania aktywnej formy leku. W drugiej części rozdziału opisane są nasze próby otrzymania dwóch fotozabezpieczalnych pochodnych Neomycyny B oraz badania właściwości fotochemicznych jednej z nich (Neomycyny B zabezpieczonej grupą orto-nitrobenzylową). Wyniki wstępne świadczą o zachowanej aktywności leku przeciw bakteriom E. Coli po fotoodbezpieczaniu tego związku, niestety częściowa aktywność została zaobserwowana także dla jego zabezpieczonej formy. Mieliśmy nadzieję rozwiązać ten problem poprzez przygotowanie analogicznej pochodnej Neomycyny B zabezpieczonej ugrupowaniem BODIPY, jednak synteza ta zakończyła się niepowodzeniem z powodu degradacji materiału. W celu rozwiązania tego problemu konieczne są dalsze badania. Rozdział 6 skoncentrowany jest na trzeciej kategorii związków aktywowanych światłem – sondach fluorescencyjnych. Celem tych badań było otrzymanie sondy bazującej na ugrupowaniu BODIPY do wizualizacji i kwantyfikowania stresu aksydacyjnego w komórkach. W rozdziale opisano otrzymywanie ligandów dla nanocząstek złota z wbudowanym fluoroforem połączonym z ugrupowaniami fenolowymi/katecholowymi jako sensorami reaktywnych form tlenu (ROS). Otrzymane związki, styrylowe pochodne BODIPY zawierające wolne lub zabezpieczone grupy OH zostały poddane badaniom UV-Vis oraz elektrodą Clarka w celu opisania ich właściwości jako potencjalnych sond do wykrywania ROS. Drastyczne zmiany obserwowane w widmach absorpcyjnych otrzymanych związków w obecności wybranych ROS w modelowym układzie micelarnym powodują, że związki te mogą być zastosowane jako pułapki rodnikowe dla rodników peroksylowych.

The research described in this thesis focuses on the design and development of photoactivable drugs and fluorescent probes based on BODIPY (boron dipyrromethene) fluorophores. After a brief introduction on the use of light in biology and various types of moieties applied for inducing photosensitivity, a simple protocol for obtaining BODIPY-based photoprotecting groups for amines is provided. These compounds, designed to react upon irradiation with light of different wavelengths, released the protected amines in a fast and clean fashion. Next, a methodology employing BODIPY derivatives in multicomponent Passerini reactions for the efficient preparation of photoprotected carboxylic acids is presented. At the end of this part of the thesis, attempts towards the coupling of commonly used drugs – Mitomycin C and Neomycin B – with the PPG developed are presented. Even though the syntheses of these compounds was successful, additional limitations on the activity of the free and protected compounds arose. More research is needed to fully understand the connection between functional group blocage and activity of the drugs. Finally, synthesis of BODIPY-based fluorescent probes for the detection of reactive oxygen species is described with some additional preliminary data on their antioxidant properties. The thesis is written in English. It is concluded with an extensive overview on the future of the field it tackles.