Derivados porfirina-trifenilfosfónio: avaliação do potencial como fotossensibilizadores na fotoinativação de bactérias

Abstract

Com o constante aumento de resistência antimicrobiana emerge também a necessidade de desenvolver terapias eficazes contra estirpes multirresistentes. Neste sentido, a Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (aPDT) surge como uma alternativa promissora aos antimicrobianos convencionais baseando-se no uso de uma molécula fotossensibilizadora (PS), oxigénio molecular e de uma fonte de irradiação. Este trabalho visa avaliar o potencial de novos conjugados porfirina-trifenilfosfónio de base livre (1, 2 e 3) com diferentes cargas positivas (+8, +6 ou +4, respetivamente), assim como, dos seus complexos metálicos (1-Zn, 1-Pd, 1-Co, 2-Zn e 3-Zn), como PS em aPDT. Neste estudo foi também incluída a TMPyP (5,10,15,20-tetraquis(1-metilpiridínio-4-il)porfirina), um PS tetracatiónico padrão e extensivamente estudado, para fins comparativos. Para tal, procedeu-se à caracterização das propriedades fotofísicas e fotoquímicas dos PS, nomeadamente, espetros de absorção e emissão, estabilidade no escuro e sob irradiação, e ainda, a sua capacidade de produção de oxigénio singleto. Posteriormente, foi também avaliada a sua eficácia na fotoinativação de Staphylococcus aureus e Escherichia coli, como modelos bacterianos de Gram-positivo e Gram-negativo, respetivamente. Avaliou-se também a afinidade das porfirinas para as duas bactérias e a sua citotoxidade em células Vero, como modelo de uma linha celular de mamífero. Os estudos desenvolvidos mostraram que as porfirinas 1 e 2 modificadas com unidades trifenilfosfónio foram mais eficazes do que a porfirina TMPyP em fotoinativar ambas as bactérias. Este efeito pode estar associado à maior afinidade dos PS para as células bacterianas, devido à presença de um maior número de cargas positivas e à presença dos grupos trifenilfosfónio, resultando numa melhor interação com as paredes celulares bacterianas. Por outro lado, o PS 3 revelou menor atividade fotodinâmica do que a porfirina de referência, possivelmente devido à sua elevada tendência para agregar. De forma geral, as inserções dos átomos metálicos pioraram as propriedades e a ação fotodinâmica do PS 1. No entanto, a introdução do Zn(II) teve um efeito positivo para os PS 2 e 3, melhorando a afinidade das porfirinas para as células bacterianas, bem como a produção de 1O2 (para o PS 2) e, consequentemente, a eficácia da aPDT. Para além disso, os ensaios de citotoxicidade realizados em células Vero indicam que nenhum dos PS estudados apresenta citotoxicidade significativa, realçando a sua aplicação promissora na clínica. Os resultados deste estudo sugerem que os compostos 1, 2 e 3 avaliados, bem como os seus complexos de Zn(II), são PS promissores e seguros para serem usados em aPDT.

The continuous rise in antimicrobial resistance, the need for developing effective therapies against multidrug-resistant strains has become evident. In this context, Antimicrobial Photodynamic Therapy (aPDT) emerges as a promising alternative to conventional antimicrobials, relying on the use of a photosensitizing molecule (PS), molecular oxygen, and a source of irradiation. This work aims to assess the potential of new free-base porphyrin-triphenylphosphonium conjugates (1, 2, and 3) with different quantity of positive charges (+8, +6, or +4, respectively), as well as their complexes (1-Zn, 1-Pd, 1-Co, 2-Zn, and 3-Zn), as PS in aPDT. A tetracationic standard porphyrin, TMPyP (5,10,15,20-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphyrin), was included in this study for comparative purposes. The characterization of the photophysical and photochemical properties of the PS was conducted, and includes absorption and emission spectra, stability in the dark and under irradiation, and the ability to produce singlet oxygen. Subsequently, their efficacy in the photoinactivation of Staphylococcus aureus and Escherichia coli, as Gram-positive and Gram-negative bacterial models, respectively, was assessed. In addition, the porphyrins’ affinity for both bacteria and their cytotoxicity to Vero cells, a mammalian cell line model, were evaluated. The results demonstrated that porphyrins 1 and 2 were more effective than TMPyP in photoinactivating both bacteria. This effect may be associated with the PS's higher affinity for bacterial cells due to the presence of a greater number of positive charges and the presence of triphenylphosphonium groups, resulting in better interactions with bacterial cell walls. On the other hand, PS 3 exhibited lower photodynamic activity than the reference porphyrin, possibly due to its high tendency to aggregate. Overall, the introduction of metal atoms worsened the properties and photodynamic activity of PS 1. However, the introduction of Zn(II) had a positive effect on PS 2 and 3, improving the porphyrins' affinity for bacterial cells, as well as the production of singlet oxygen (for PS 2) and, consequently, the effectiveness of aPDT. Moreover, cytotoxicity assays conducted on Vero cells indicated that none of the studied PS exhibited significant cytotoxicity, highlighting their promising clinical application. The results of this study suggest that the evaluated compounds 1, 2, and 3, as well as their Zn(II) complexes, are promising and safe PSs for use in aPDT.