Avaliação das propriedades fotossensibilizadoras de derivados benzoporfirínicos catiónicos em terapia fotodinâmica antimicrobiana

Abstract

A crescente resistência a antimicrobianos torna urgente o desenvolvimento de alternativas eficientes para a eliminação de microrganismos patogénicos. Neste contexto, a Terapia Fotodinâmica antimicrobiana (aPDT) surge como uma abordagem alternativa promissora aos agentes antimicrobianos convencionais. A aPDT envolve a conjugação de um fotossensibilizador (PS) que, quando ativado por luz visível, interage com o oxigénio molecular, levando à geração de espécies reativas de oxigénio, nomeadamente oxigénio singleto (1O2), responsáveis pela morte microbiana sem promover o desenvolvimento de resistência. Atualmente, o desafio da aPDT está centrado, essencialmente, em encontrar PS eficazes no combate a agentes infeciosos, e, por outro lado, que corroborem com um aumento da seletividade, especificidade e uniformização de procedimentos e que permitam melhorar os custos de eficiência. Apesar do diverso potencial da PDT, o potencial de derivados benzoporfirínicos catiónicos como PS em aPDT permanece praticamente inexplorado, embora estes estejam clinicamente aprovados para uso em PDT. Estudos recentes demonstram que a incorporação de complexos metálicos na estrutura tetrapirrólica pode melhorar o efeito fotodinâmico relativamente aos compostos de base livre análogos. Como tal, este estudo teve como objetivo avaliar o potencial de novos derivados dibenzoporfirínicos tetracatiónicos na forma de base livre com diferentes grupos alquilantes (metilo, TMePyBP, e pentilo, TPPyBP), e de metalodibenzoporfirinas complexadas com Zn(II), Pd(II) e Co(II), como PS em aPDT. A porfirina de referência TMePyP também foi incluída neste estudo para fins comparativos. Para a concretização deste objetivo, este projeto envolveu estudos de caracterização fotofísica e fotoquímica dos PS, avaliação da sua atividade fotodinâmica contra uma bactéria modelo de Gram-negativo (Escherichia coli) e investigação da sua capacidade de ligação às células bacterianas. Além disso, a citotoxicidade em células Vero, um modelo de células de mamífero, foi analisada considerando aplicações futuras destes PS. Os resultados obtidos permitiram estabelecer uma relação entre a atividade antimicrobiana e estrutura destes conjugados. Os estudos com os derivados dibenzoporfirínicos revelaram que os PS com o grupo metilo (TMePyBP) e a porfirina TMePyP foram mais eficazes em inativar E. coli do que os PS com o grupo pentilo (TPPyBP). Este efeito aparenta estar relacionado com a maior geração de 1O2 promovida por grupos alquilantes menores. Entre os compostos mais eficazes, o composto beta-substituído (TMePyBP) foi mais promissor do que o PS com grupos substituintes nas posições meso (TMePyP), resultante da presença das unidades piridínio nas posições beta-pirrólicas. A introdução dos metais na estrutura porfirínica, em geral, melhorou a estabilidade dos PS, contudo, piorou a sua capacidade de gerar 1O2 e, consequentemente, o perfil de inativação comparativamente com os derivados dibenzoporfirínicos análogos na forma de base livre. Ainda assim, Zn-TMePyBP e Pd-TMePyBP foram eficientes na fotoinativação de E. coli, além dos derivados TMePyP e TMePyBP. Este estudo demonstrou que a estrutura e características fotofisicas e fotoquímicas dos compostos avaliados são importantes para a sua atividade fotodinâmica. Além disso, os compostos livres TMePyP, TMePyBP e TPPyBP, e algumas metalodibenzoporfirinas (Zn-TMePyBP e Pd-TMePyBP) revelaram ser PS promissores e seguros para o controlo de infeções bacterianas, uma vez que não foram citotóxicos em linhas celulares Vero.

The growing resistance to antimicrobials makes urgent to develop efficient alternatives for eliminating pathogenic microorganisms. In this context, antimicrobial Photodynamic Therapy (aPDT) emerges as a promising alternative approach to conventional antimicrobial agents. aPDT involves the conjugation of a photosensitizer (PS), which, after activation by visible light, interacts with molecular oxygen, leading to the generation of reactive oxygen species, mainly singlet oxygen (1O2), responsible for microbial death without promoting the development of resistance. Currently, the aPDT challenge is essentially focused on finding effective PS in combating infectious agents and, on the other hand, that corroborate with an increase in the selectivity, specificity and standardization of procedures and that allow to improve efficiency costs. Despite the diverse potential of PDT, the potential of cationic benzoporphyrin derivatives such as PS in aPDT remains largely unexplored, although these are clinically approved for use in PDT. Recent studies demonstrate that the incorporation of metal complexes into the tetrapyrrolic structure can improve the photodynamic effect if compared to that of free base compounds. This study aimed to evaluate the potential of new free base tetracationic dibenzoporphyrin derivatives with different alkylating groups (methyl, TMePyBP, and pentyl, TPPyBP), and metallodibenzoporphyrins Zn(II), Pd(II) and Co(II), such as PS in aPDT. The reference porphyrin TMePyP was also included in this study for comparative purposes. To achieve this objective, this project involved photophysical and photochemical characterization studies of PS, evaluation of their photodynamic activity against a Gram-negative model bacterium (Escherichia coli), and investigation of their binding capacity to bacterial cells. Furthermore, cytotoxicity in Vero cells, a mammalian cell model, was assessed considering future applications of these PS. The results obtained allowed us to establish a relationship between the antimicrobial activity and structure of these conjugates. Studies with dibenzoporphyrin derivatives revealed that PS with the methyl group (TMePyBP) and the porphyrin TMePyP were more effective in inactivating E. coli than PS with the pentyl group (TPPyBP). This effect appears to be related to the greater generation of 1O2 promoted by smaller alkylating groups. Among the most effective compounds, the beta-substituted compound (TMePyBP) was more promising than PS with substituent groups in meso positions (TMePyP), resulting from the presence of pyridinium units in beta-pyrrolic positions. The introduction of metals into the porphyrin structure, in general, improved the PS stability, however, it worsened the 1O2 generation capability and, consequently, the inactivation profile compared to dibenzoporphyrin derivatives in the free base form. Even so, Zn-TMePyBP and Pd-TMePyBP were efficient in photoinactivation of E. coli, in addition to the TMePyP and TMePyBP derivatives. This study demonstrated that the structure and photophysical and photochemical characteristics of the evaluated compounds are important for their photodynamic activity. Furthermore, the free compounds TMePyP, TMePyBP and TPPyBP, and some metallodibenzoporphyrins (Zn-TMePyBP and Pd-TMePyBP) proved to be promising and safe PS for controlling bacterial infections, as they were not cytotoxic in Vero cell lines.